【摘要】：壓電介質(zhì)通�？煞譃榻^緣體和半導(dǎo)體兩類,前者內(nèi)部不存在自由電荷,所以常用于力電轉(zhuǎn)換和傳感等;而后者同時(shí)兼?zhèn)淞﹄娹D(zhuǎn)換功能和波-粒拖曳效應(yīng),當(dāng)應(yīng)力波在其中傳播時(shí)會(huì)誘導(dǎo)離子極化,形成壓電勢(shì)場(chǎng);而壓電勢(shì)場(chǎng)又會(huì)與結(jié)構(gòu)內(nèi)部載流子相互作用并驅(qū)動(dòng)載流子運(yùn)動(dòng)。顯然,通過施加力場(chǎng)或聲波可以有效調(diào)節(jié)或控制壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的載流子運(yùn)動(dòng)特征,進(jìn)而發(fā)展新型的具有現(xiàn)代功能的微電子器件,它們將在微機(jī)電系統(tǒng)、納米機(jī)器人、人機(jī)交互界面、微納傳感以及生物反恐等領(lǐng)域具有特別重要的應(yīng)用前景。本文針對(duì)壓電電子器件中所存在的典型壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)開展了系統(tǒng)深入的研究,闡明了力電耦合與載流子的交互作用特征,揭示了外部加載對(duì)典型壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電學(xué)性能的調(diào)控規(guī)律,取得如下主要成果:1.從力-電-粒子耦合作用出發(fā),建立了n型ZnO納米(c軸沿納米線軸向)發(fā)電機(jī)的多場(chǎng)耦合力學(xué)模型。藉由靜電場(chǎng)的無旋性,發(fā)現(xiàn)了電場(chǎng)強(qiáng)度不影響氧化鋅納米線彎曲時(shí)內(nèi)部的應(yīng)力場(chǎng)。在求解結(jié)構(gòu)壓電勢(shì)場(chǎng)之后發(fā)現(xiàn),壓電勢(shì)場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致橫截面上受拉側(cè)電子濃度增多,受壓側(cè)電子濃度減少,從而削弱極化電場(chǎng)。計(jì)算結(jié)果顯示摻雜濃度越高,削弱越嚴(yán)重。這表明半導(dǎo)體特征會(huì)誘導(dǎo)ZnO納米發(fā)電機(jī)漏電,所以,較低摻雜濃度有利于提高發(fā)電機(jī)性能。2.建立了典型加載構(gòu)型下壓電半導(dǎo)體納米纖維的多場(chǎng)耦合力學(xué)模型,得到了納米纖維中勢(shì)壘/勢(shì)阱的作用規(guī)律,闡明了載流子及極化電荷的分布特征。這些特殊加載形成的勢(shì)壘/勢(shì)阱構(gòu)型對(duì)于研發(fā)新型壓電電子器件和壓電光子器件具有重要意義。3.建立了壓電PN結(jié)受外部對(duì)稱加載作用時(shí)的分析模型。得到了壓電PN結(jié)力電耦合作用的基本方程,研究了外加載荷對(duì)壓電PN結(jié)電學(xué)性能的影響。分析結(jié)果表明:對(duì)稱拉應(yīng)力加載誘導(dǎo)空間電荷區(qū)尺寸加大及勢(shì)壘提高,而對(duì)稱壓應(yīng)力加載誘導(dǎo)空間電荷區(qū)尺寸減小且勢(shì)壘降低,并且加載點(diǎn)的位置離空間電荷區(qū)越近,載荷對(duì)PN結(jié)電學(xué)性能的調(diào)控作用越明顯。4.建立了非對(duì)稱加載作用下壓電PN結(jié)的分析模型,結(jié)構(gòu)在P區(qū)與N區(qū)交界面處固定。研究結(jié)果表明:即使加載點(diǎn)遠(yuǎn)離空間電荷區(qū),這種非對(duì)稱形式加載因?yàn)橹虚g固定端的集中力仍然會(huì)對(duì)界面處電學(xué)量產(chǎn)生顯著影響,界面兩邊的空間電荷區(qū)尺寸不再保持一樣,兩邊的壓電勢(shì)場(chǎng)和電場(chǎng)的變化規(guī)律也不相同。這些結(jié)果對(duì)通過外部加載調(diào)控壓電PN結(jié)基本特征具有參考意義。本文深入研究了壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部力電場(chǎng)與載流子的交互作用,揭示了通過力學(xué)方法對(duì)典型壓電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)電學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控的規(guī)律。研究成果對(duì)于彈性波理論的拓寬和深入發(fā)展具有非常重要的理論意義,并且對(duì)新型壓電電子器件和壓電光電器件的研究、開發(fā)和應(yīng)用具有較大的促進(jìn)作用。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN303
【圖文】：

電系統(tǒng)（MEMS）是一種基于機(jī)電一體化的系統(tǒng)，其組成部分以及處于微尺度量級(jí)。自 20 世紀(jì) 80 年代以來，微機(jī)電系統(tǒng)的研究與使得其在汽車傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)[5]、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[6]、人體內(nèi)部及智能手機(jī)[8]等方面有了較廣泛的應(yīng)用。另一方面，隨著科技的迅統(tǒng)對(duì)于無線傳感器和便攜式電子器件的需求量亦與日俱增。圖 1-1構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分配網(wǎng)絡(luò)、中心[9]組成。多數(shù)情況下，便攜式電子設(shè)備均需要電池提供能量，言，其尺寸和重量相對(duì)于電子設(shè)備來說較大，并且需要更換或者壽命耗盡時(shí)，電子器件便不再受調(diào)控，無法工作。對(duì)于無線傳感題：無線傳感器設(shè)備可能被安裝在較遠(yuǎn)的位置或者安裝在野生動(dòng)無線傳感器中的電池耗盡或者出現(xiàn)問題時(shí)，更換電池可能就變得電子器件的行為更是無法調(diào)控。

獲取電能的裝置有多種，例如利用換能器的可動(dòng)部分逆著電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生能量的靜電能發(fā)電機(jī)[11, 12]、基于法拉第電磁感應(yīng)的磁感應(yīng)發(fā)電機(jī)[13]以及基于壓電材料的壓電俘能器[14]，如圖 1-2 所示。上述不同形式的能量轉(zhuǎn)換裝置均可有效地將電子器件周圍的能量轉(zhuǎn)換為電能加以利用，其中壓電俘能器可以直接將應(yīng)變能轉(zhuǎn)換為電能，這就意味著可以直接將壓電換能器集成到整個(gè)系統(tǒng)中，這也是為什么基于壓電材料進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的壓電俘能器受到了眾多科研工作者關(guān)注的原因。壓電材料極化前內(nèi)部固有偶極子的取向是不規(guī)則的，當(dāng)機(jī)械載荷作用在材料上時(shí)并不表現(xiàn)出壓電效應(yīng)，因此使用前需要對(duì)壓電材料進(jìn)行極化處理。極化處理過程中，通過對(duì)壓電材料施加強(qiáng)電場(chǎng)使得材料內(nèi)部偶極子的方向與極化電場(chǎng)的方向保持一致。極化電場(chǎng)撤去之后，壓電材料內(nèi)部的偶極子方向保持極化處理時(shí)的方向不變。極化處理完成之后壓電材料便可表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)，其中正壓電效應(yīng)是將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電能，這是一種主動(dòng)模式，利用這一特性可將壓電器件作為傳

圖 1-3 氧化鋅納米線在軸向拉應(yīng)力及壓應(yīng)力作用下內(nèi)部的壓電勢(shì)[22]壓電電子學(xué)是基于壓電半導(dǎo)體材料發(fā)展而來的。自壓電電子學(xué)建立以來，極向的 ZnO 納米材料在壓電電子學(xué)研究中有著較為廣泛的應(yīng)用，例如基于氧線彎曲的納米發(fā)電機(jī)和應(yīng)變傳感器[23-25]、具有壓電性的 PN 結(jié)、通過機(jī)電調(diào)讀/寫的存儲(chǔ)單元[26]、通過改變肖特基勢(shì)壘高度來獲得最佳電流響應(yīng)的壓電化學(xué)傳感器[27]以及基于氧化鋅納米線與金屬電極之間形成的具有金屬－半導(dǎo)背對(duì)背肖特基接觸結(jié)構(gòu)的生物傳感器[28]等等，如圖 1-4 所示[29]。未來壓電電子學(xué)納米技術(shù)的發(fā)展方向在于從單個(gè)納米器件到功能集成的器，進(jìn)而形成一個(gè)集成的納米系統(tǒng)。為了能夠不依靠電源供能獨(dú)立地進(jìn)行無線及遠(yuǎn)距離操作，開展從電子器件所處的環(huán)境中俘獲能量并能利用該能量直接器件行為的研究就顯得尤為重要。

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本文編號(hào)：2776714