南京理工大学紫金学院 南京 210046
摘要:压电半导体是当前具有广阔发展前景的新型半导体材料,由其衍生出的多层复合结构在微电子器件、俘能器件、光电器件以及声电传输器件等众多电子元件中都有重要作用。研究其力电耦合特性具有十分重大的意义。本文通过对ZnO压电半导体结构进行分析,从立体模型解析开始,计算电场分布规律、载流子浓度增量等物理量数据,并进行线性化处理,最后探究力电等各项数据之间的耦合作用,为压电半导体材料进一步发展提供参考意见。
关键词:压电半导体;力电耦合;ZnO层合板;载流子
压电半导体材料是一种对外力和电流敏感的特殊功能性材料,在外力作用下会出现压电效应,驱动载流子发生运动,产生压电势场;反过来,也可以通过电场对载流子进行定向移动,改变压电半导体外形,因此在压电半导体材料中力和电物理量相互影响,实现机械能和电能进行相互转换[1]。利用这一特性,压电半导体材料常常用来制作具有各种功能的电子器件,随着众多国内外学者和专家不断地深入研究,如今,压电材料已经广泛应用关于俘能器、致动器、传感器等微电子器件领域,并且对当前的人工智能、无线遥感、能量传输等前言领域的发展也有重要的推动作用。
1 压电半导体的性质
在十八世纪八十年代,人们便已经发现了压电效应,对石英晶体作用于外力时,会在石英晶体表面产生电荷运动,出现极化现象,在其两个表面之间会产生电势差,在外力消失后,便会恢复到原状称为正压电效应。随后人们又发现了通过改变石英晶体电荷运动可以改变其外形,称为逆压电效应,通过这一效应可以实现动能和电能的互相转换。
1.1能级和载流子
在半导体材料中,电子不在局限于某个原子,而是可以再特定条件下,跃迁到相邻原子轨道中,称为公有化电子,原先处于某一层的电子,在转移后仍然处于这一层,量子态与原子能之间是一一对应的,只有在底层能级被占满后,才会向上一层移动。在电子摆脱原子束缚后,其留下的空缺会被其他电子替代,这种不断替代其他电子位置的电子称为载流子。通过对电子的分布规律进行统计可以发现,电子在进行能级之间的跃迁时会吸收和释放能量,其环境温度、电子能量都会对其产生影响[2]。
1.2导电性
由于载流子负载电荷,并且可以在电场作用下定向移动,所以载流子也是传统意义上的电能传输,符合欧姆定律j=E,j为电流密度,为导电率,E为电场强度。在没有电场参与时,电子的运动方向是随机无序的,其能量会在相互作用下抵消,在宏观方面不会出现电流现象,因此半导体材料的导电性必须在电场环境下才能体现出来,其公式可以表达为:j=nqE,为电子迁移率,n为电子数量,v为速度。
2 ZnO 纳米线力电耦合分析
氧化锌材料具有半导体性质,可以通过压电效应向外界输出电能,因此在此基础上通过研究发现,在外界持续不断的进行做功,可以实现纳米级别的持续发电功能,这一发现对微电子领域器件发展具有重要作用,其力电之间的耦合作用完美解决了困扰行业多年的微电子器件供能问题,降低了微电子设备尺寸[3]。
2.1实验探究
实验选取一段ZnO 纳米线,假设其横截面积为l×b,高度是h,将其固定在同样材质的基底上,并对其均匀施加力F1,采用材质弹性数据类似的杨氏模量 E 和泊松比来进行代入,通过平衡方程、半导体电流方程、压电本构方程等进行计算,并记录压电势数据。
由于以上方程公式进行解析时非常复杂,因此本文通过逐步迭代、逐步逼近的摄动法来得到这些方程的近似解,将这些方程列出一阶、二阶、三阶的迭代格式,在一阶中,不考虑电场对材料应变的反应,只考量材料本身在正压电效应下的极化电场。二阶解析较一阶多考虑了电场的因素,三阶则更进一步解析了半导体材料中的力电耦合[4]。
2.2代入数值
通过对实验材料进行测量,获取相应参数数值,并将这些参数代入公式中进行计算。
l=500nm,b=140nm,E=128Gpa,f=1000nN。
d22 =5.1×10-4m2/s,22 =0.019m2/vs,v=0.339。
Ε11 =7.67×8.8×10-12F/m,Ε33 =8.92×8.8×10-12F/m,
e31 =-0.52C/m2,e33 =1.22C/m2,e15 =-0.46C/m2,n0 =1.2×1019l/m3。
获得的参数可视化编辑可以有效反映压电半导体材料中的压电势、电场及电子分布情况,在外力作用于y方向时,其电势方面变化较小,所以逆压电效应产生的形变较外力作用产生的弯曲影响较小,电场呈现出抛物线特点,电场的中间部分强度最大,两端部分最弱。电位移同样在两边最小,中部最大。在充分考虑材料纯度影响后,发现其电势依旧沿着中性层反对称分布,电势强度随着杂质增加而减小,电场强度会受到影响减弱
[5]。
2.3实验总结
实验题横向弯曲时会产生压电效应,一侧呈现出正电势,一侧呈现出负电势,实验材料纯度问题会影响结果数值,利用这些掺杂影响,可以有效控制实验材料中的压电势,为其在市场应用提供技术条件和理论依据。
3结语
压电半导体材料在微电子元器件领域具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景,研究ZnO纳米实验中层合结构中的力电耦合作用,对压电半导体特性有了更深的认识,其实现了机械能和电能转换,为纳米级别器件供能提供了可能。下一步将对外界温度、电磁场、光照等更多影响因素进行充分考量,从而进行更加贴近现实的实验研究,获取更有说服力的实验数据,推动层状压电半导体结构材料在市场上广泛发展。
参考文献
[1]罗逸璕, 张春利, 陈伟球,等. 层状压电半导体复合结构的力电耦合特性研究[C]// 2018年全国固体力学学术会议.
[2]王国林, 刘金喜, 刘响林,等. 氧化锌压电半导体纳米纤维在时间简谐力作用下的纵向振动[C]// 2018年全国固体力学学术会议.
[3]谭耀红, 刘呈坤, 毛雪,等. 压电式纳米发电机及其混合器件的研究进展[J]. 材料工程, 2019, 47(10):10-21.
[4]张俊. 几种典型压电半导体结构中的力—电—载流子耦合作用分析[D].
[5]梁斌斌.微纳米机电系统力电耦合理论与数值方法研究[D].山东:山东大学,2016.