發(fā)布時間：2020-07-31 16:22

【摘要】：壓電介質通�？煞譃榻^緣體和半導體兩類,前者內部不存在自由電荷,所以常用于力電轉換和傳感等;而后者同時兼?zhèn)淞﹄娹D換功能和波-粒拖曳效應,當應力波在其中傳播時會誘導離子極化,形成壓電勢場;而壓電勢場又會與結構內部載流子相互作用并驅動載流子運動。顯然,通過施加力場或聲波可以有效調節(jié)或控制壓電半導體結構中的載流子運動特征,進而發(fā)展新型的具有現(xiàn)代功能的微電子器件,它們將在微機電系統(tǒng)、納米機器人、人機交互界面、微納傳感以及生物反恐等領域具有特別重要的應用前景。本文針對壓電電子器件中所存在的典型壓電半導體結構開展了系統(tǒng)深入的研究,闡明了力電耦合與載流子的交互作用特征,揭示了外部加載對典型壓電半導體結構電學性能的調控規(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)電機的多場耦合力學模型。藉由靜電場的無旋性,發(fā)現(xiàn)了電場強度不影響氧化鋅納米線彎曲時內部的應力場。在求解結構壓電勢場之后發(fā)現(xiàn),壓電勢場會導致橫截面上受拉側電子濃度增多,受壓側電子濃度減少,從而削弱極化電場。計算結果顯示摻雜濃度越高,削弱越嚴重。這表明半導體特征會誘導ZnO納米發(fā)電機漏電,所以,較低摻雜濃度有利于提高發(fā)電機性能。2.建立了典型加載構型下壓電半導體納米纖維的多場耦合力學模型,得到了納米纖維中勢壘/勢阱的作用規(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壘/勢阱構型對于研發(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結受外部對稱加載作用時的分析模型。得到了壓電PN結力電耦合作用的基本方程,研究了外加載荷對壓電PN結電學性能的影響。分析結果表明:對稱拉應力加載誘導空間電荷區(qū)尺寸加大及勢壘提高,而對稱壓應力加載誘導空間電荷區(qū)尺寸減小且勢壘降低,并且加載點的位置離空間電荷區(qū)越近,載荷對PN結電學性能的調控作用越明顯。4.建立了非對稱加載作用下壓電PN結的分析模型,結構在P區(qū)與N區(qū)交界面處固定。研究結果表明:即使加載點遠離空間電荷區(qū),這種非對稱形式加載因為中間固定端的集中力仍然會對界面處電學量產生顯著影響,界面兩邊的空間電荷區(qū)尺寸不再保持一樣,兩邊的壓電勢場和電場的變化規(guī)律也不相同。這些結果對通過外部加載調控壓電PN結基本特征具有參考意義。本文深入研究了壓電半導體結構內部力電場與載流子的交互作用,揭示了通過力學方法對典型壓電半導體結構電學性能進行調控的規(guī)律。研究成果對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,并且對新型壓電電子器件和壓電光電器件的研究、開發(fā)和應用具有較大的促進作用。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN303
【圖文】：

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

獲取電能的裝置有多種，例如利用換能器的可動部分逆著電場運動產生能量的靜電能發(fā)電機[11, 12]、基于法拉第電磁感應的磁感應發(fā)電機[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換裝置均可有效地將電子器件周圍的能量轉換為電能加以利用，其中壓電俘能器可以直接將應變能轉換為電能，這就意味著可以直接將壓電換能器集成到整個系統(tǒng)中，這也是為什么基于壓電材料進行能量轉換的壓電俘能器受到了眾多科研工作者關注的原因。壓電材料極化前內部固有偶極子的取向是不規(guī)則的，當機械載荷作用在材料上時并不表現(xiàn)出壓電效應，因此使用前需要對壓電材料進行極化處理。極化處理過程中，通過對壓電材料施加強電場使得材料內部偶極子的方向與極化電場的方向保持一致。極化電場撤去之后，壓電材料內部的偶極子方向保持極化處理時的方向不變。極化處理完成之后壓電材料便可表現(xiàn)出壓電效應。壓電效應分為正壓電效應與逆壓電效應，其中正壓電效應是將機械應變轉換為電能，這是一種主動模式，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力及壓應力作用下內部的壓電勢[22]壓電電子學是基于壓電半導體材料發(fā)展而來的。自壓電電子學建立以來，極向的 ZnO 納米材料在壓電電子學研究中有著較為廣泛的應用，例如基于氧線彎曲的納米發(fā)電機和應變傳感器[23-25]、具有壓電性的 PN 結、通過機電調讀/寫的存儲單元[26]、通過改變肖特基勢壘高度來獲得最佳電流響應的壓電化學傳感器[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－半導背對背肖特基接觸結構的生物傳感器[28]等等，如圖 1-4 所示[29]。未來壓電電子學納米技術的發(fā)展方向在于從單個納米器件到功能集成的器，進而形成一個集成的納米系統(tǒng)。為了能夠不依靠電源供能獨立地進行無線及遠距離操作，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。

【相似文獻】

相關期刊論文 前8條

1 Chun-li ZHANG;Xiao-yuan WANG;Wei-qiu CHEN;Jia-shi YANG;;壓電半導體桿中的機械場、電場與載流子分布研究（英文）[J];Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering);2016年01期

2 陳恩霖;;壓電半導體上耗盡型表面波換能技術[J];現(xiàn)代雷達;1984年Z1期

3 ;壓電半導體及其應用[J];壓電與聲光;1970年03期

4 ;用甘氏效應產生高頻超聲波[J];壓電與聲光;1971年03期

5 鄭浩平,趙明洲;壓電半導體ZnO單晶的Brillouin散射[J];應用科學學報;1987年03期

6 В.И.ΠΕРОСЯН.ЦТ.Д ,趙旭霞;用于聲電的InSb薄膜[J];壓電與聲光;1981年06期

7 錢振型;(四)日本的聲光技術和集成光學[J];壓電與聲光;1982年02期

8 ;從事壓電與聲光技術工作的外籍華人學者簡介[J];壓電與聲光;1984年02期

相關會議論文 前10條

1 李鵬;金峰;;壓電半導體結構中拉伸模態(tài)的求解與應用[A];2018年全國固體力學學術會議摘要集（下）[C];2018年

2 趙明v

本文編號：2776714