典型压电半导体结构中力电场与载流子的交互作用规律

发布时间：2020-07-31 16:22

【摘要】：压电介质通常可分为绝缘体和半导体两类,前者内部不存在自由电荷,所以常用于力电转换和传感等;而后者同时兼备力电转换功能和波-粒拖曳效应,当应力波在其中传播时会诱导离子极化,形成压电势场;而压电势场又会与结构内部载流子相互作用并驱动载流子运动。显然,通过施加力场或声波可以有效调节或控制压电半导体结构中的载流子运动特征,进而发展新型的具有现代功能的微电子器件,它们将在微机电系统、纳米机器人、人机交互界面、微纳传感以及生物反恐等领域具有特别重要的应用前景。本文针对压电电子器件中所存在的典型压电半导体结构开展了系统深入的研究,阐明了力电耦合与载流子的交互作用特征,揭示了外部加载对典型压电半导体结构电学性能的调控规律,取得如下主要成果:1.从力-电-粒子耦合作用出发,建立了n型ZnO纳米(c轴沿纳米线轴向)发电机的多场耦合力学模型。藉由静电场的无旋性,发现了电场强度不影响氧化锌纳米线弯曲时内部的应力场。在求解结构压电势场之后发现,压电势场会导致横截面上受拉侧电子浓度增多,受压侧电子浓度减少,从而削弱极化电场。计算结果显示掺杂浓度越高,削弱越严重。这表明半导体特征会诱导ZnO纳米发电机漏电,所以,较低掺杂浓度有利于提高发电机性能。2.建立了典型加载构型下压电半导体纳米纤维的多场耦合力学模型,得到了纳米纤维中势垒/势阱的作用规律,阐明了载流子及极化电荷的分布特征。这些特殊加载形成的势垒/势阱构型对于研发新型压电电子器件和压电光子器件具有重要意义。3.建立了压电PN结受外部对称加载作用时的分析模型。得到了压电PN结力电耦合作用的基本方程,研究了外加载荷对压电PN结电学性能的影响。分析结果表明:对称拉应力加载诱导空间电荷区尺寸加大及势垒提高,而对称压应力加载诱导空间电荷区尺寸减小且势垒降低,并且加载点的位置离空间电荷区越近,载荷对PN结电学性能的调控作用越明显。4.建立了非对称加载作用下压电PN结的分析模型,结构在P区与N区交界面处固定。研究结果表明:即使加载点远离空间电荷区,这种非对称形式加载因为中间固定端的集中力仍然会对界面处电学量产生显著影响,界面两边的空间电荷区尺寸不再保持一样,两边的压电势场和电场的变化规律也不相同。这些结果对通过外部加载调控压电PN结基本特征具有参考意义。本文深入研究了压电半导体结构内部力电场与载流子的交互作用,揭示了通过力学方法对典型压电半导体结构电学性能进行调控的规律。研究成果对于弹性波理论的拓宽和深入发展具有非常重要的理论意义,并且对新型压电电子器件和压电光电器件的研究、开发和应用具有较大的促进作用。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN303
【图文】：

无线传感器网络

电系统（MEMS）是一种基于机电一体化的系统，其组成部分以及处于微尺度量级。自 20 世纪 80 年代以来，微机电系统的研究与使得其在汽车传感器与执行机构[5]、惯性导航系统[6]、人体内部及智能手机[8]等方面有了较广泛的应用。另一方面，随着科技的迅统对于无线传感器和便携式电子器件的需求量亦与日俱增。图 1-1构成的无线传感器网络，主要由数据获取网络、数据分配网络、中心[9]组成。多数情况下，便携式电子设备均需要电池提供能量，言，其尺寸和重量相对于电子设备来说较大，并且需要更换或者寿命耗尽时，电子器件便不再受调控，无法工作。对于无线传感题：无线传感器设备可能被安装在较远的位置或者安装在野生动无线传感器中的电池耗尽或者出现问题时，更换电池可能就变得电子器件的行为更是无法调控。

能量转换器,静电能,发电机,压电材料

获取电能的装置有多种，例如利用换能器的可动部分逆着电场运动产生能量的静电能发电机[11, 12]、基于法拉第电磁感应的磁感应发电机[13]以及基于压电材料的压电俘能器[14]，如图 1-2 所示。上述不同形式的能量转换装置均可有效地将电子器件周围的能量转换为电能加以利用，其中压电俘能器可以直接将应变能转换为电能，这就意味着可以直接将压电换能器集成到整个系统中，这也是为什么基于压电材料进行能量转换的压电俘能器受到了众多科研工作者关注的原因。压电材料极化前内部固有偶极子的取向是不规则的，当机械载荷作用在材料上时并不表现出压电效应，因此使用前需要对压电材料进行极化处理。极化处理过程中，通过对压电材料施加强电场使得材料内部偶极子的方向与极化电场的方向保持一致。极化电场撤去之后，压电材料内部的偶极子方向保持极化处理时的方向不变。极化处理完成之后压电材料便可表现出压电效应。压电效应分为正压电效应与逆压电效应，其中正压电效应是将机械应变转换为电能，这是一种主动模式，利用这一特性可将压电器件作为传

压电,压应力,压电半导体,纳米系统

图 1-3 氧化锌纳米线在轴向拉应力及压应力作用下内部的压电势[22]压电电子学是基于压电半导体材料发展而来的。自压电电子学建立以来，极向的 ZnO 纳米材料在压电电子学研究中有着较为广泛的应用，例如基于氧线弯曲的纳米发电机和应变传感器[23-25]、具有压电性的 PN 结、通过机电调读/写的存储单元[26]、通过改变肖特基势垒高度来获得最佳电流响应的压电化学传感器[27]以及基于氧化锌纳米线与金属电极之间形成的具有金属－半导背对背肖特基接触结构的生物传感器[28]等等，如图 1-4 所示[29]。未来压电电子学纳米技术的发展方向在于从单个纳米器件到功能集成的器，进而形成一个集成的纳米系统。为了能够不依靠电源供能独立地进行无线及远距离操作，开展从电子器件所处的环境中俘获能量并能利用该能量直接器件行为的研究就显得尤为重要。

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