壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)

內(nèi)容概要

《壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)》壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的基本概念和原理由王中林教授研究組分別于2007年和2010年首次提出。在人機(jī)界面、主動式傳感器、主動式柔性電子學(xué)、微型機(jī)器人、智能電子簽名、智能微納機(jī)電系統(tǒng)以及能源技術(shù)等領(lǐng)域中，壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)具有廣闊的應(yīng)用前景。本書介紹壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的物理原理、基本理論以及基本器件單元的設(shè)計、制造、測試和應(yīng)用；共分11章，包括壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)導(dǎo)論、纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中的壓電勢、壓電電子學(xué)基本理論、壓電電子學(xué)晶體管、壓電電子學(xué)邏輯電路及運(yùn)算操作、壓電電子學(xué)機(jī)電存儲器、壓電光電子學(xué)理論、壓電光電子學(xué)效應(yīng)在光電池中的應(yīng)用、壓電光電子學(xué)效應(yīng)在光電探測器中的應(yīng)用、壓電光電子學(xué)效應(yīng)對發(fā)光二極管的影響、壓電光電子學(xué)效應(yīng)在電化學(xué)過程和能源存儲中的應(yīng)用等內(nèi)容。

作者簡介

王中林  美國佐治亞理工學(xué)院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授，中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所（籌）首席科學(xué)家；中國科學(xué)院外籍院士,歐洲科學(xué)院院士；美國物理學(xué)會會士（fellow）, 美國科學(xué)促進(jìn)會(AAAS)會士，美國材料研究學(xué)會會士，美國顯微鏡學(xué)會會士。榮獲美國顯微鏡學(xué)會1999年巴頓獎?wù)?，佐治亞理工學(xué)院2000年、2005年杰出研究獎，2001年S. T. Li獎(美國)，2009年美國陶瓷學(xué)會Purdy獎，2011年美國材料研究學(xué)會獎?wù)?MRS Medal)，2012年美國陶瓷學(xué)會愛德華?奧爾頓獎。他發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)并發(fā)展出其技術(shù)路線圖。他關(guān)于自驅(qū)動納米系統(tǒng)的研究激發(fā)了世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對于微納系統(tǒng)電源問題的廣泛研究，這已成為能源研究與未來傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的特色學(xué)科。通過在新型的電子器件和光電子器件中引入壓電勢控制的電荷傳輸過程，他開創(chuàng)了壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)學(xué)科并引領(lǐng)其發(fā)展，這在智能微機(jī)電系統(tǒng)或納機(jī)電系統(tǒng)、納米機(jī)器人、人與電子器件的交互界面以及傳感器等方面具有重要的應(yīng)用。其著作已被引用超過52 000次，論文被引用的h因子(h-index)是110。

書籍目錄

《納米科學(xué)與技術(shù)》叢書序
前言
第1章.壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)導(dǎo)論
1.1 以多樣性和多功能性超越摩爾定律
1.2 人機(jī)交互界面
1.3 壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的物理基礎(chǔ)：壓電勢
1.4 壓電電子學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)立
1.5 壓電電子學(xué)效應(yīng)
1.5.1 壓電電子學(xué)效應(yīng)對金屬?半導(dǎo)體接觸的作用
1.5.2 壓電電子學(xué)效應(yīng)對p?n結(jié)的作用
1.6 壓電光電子學(xué)效應(yīng)
1.7 適用于壓電電子學(xué)研究的一維纖鋅礦納米結(jié)構(gòu)
1.8 展望
參考文獻(xiàn)
第2章.纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中的壓電勢
2.1 支配方程
2.2 前三階微擾理論
2.3 垂直納米線的解析解
2.4 橫向彎曲納米線的壓電勢
2.5 橫向彎曲納米線的壓電電勢測量
2.6 軸向應(yīng)變納米線內(nèi)的壓電勢
2.7 摻雜半導(dǎo)體納米線中的平衡電勢
2.7.1 理論框架
2.7.2 考慮摻雜情況時壓電勢的計算
2.7.3 摻雜濃度的影響
2.7.4 載流子類型的影響
2.8 壓電勢對局域接觸特性的影響
2.8.1 理論分析
2.8.2 實(shí)驗驗證
2.9 電流傳輸?shù)牡锥藗鬏斈Ｐ?br />參考文獻(xiàn)
第3章.壓電電子學(xué)基本理論
3.1 壓電電子學(xué)晶體管與傳統(tǒng)場效應(yīng)晶體管的比較
3.2 壓電勢對金屬?半導(dǎo)體接觸的影響
3.3 壓電勢對p?n結(jié)的影響
3.4 壓電電子學(xué)效應(yīng)的理論框架
3.5 一維簡化模型的解析解
3.5.1 壓電p?n結(jié)
3.5.2 金屬?半導(dǎo)體接觸
3.5.3 金屬纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體接觸
3.6 壓電電子學(xué)器件的數(shù)值模擬
3.6.1 壓電pn結(jié)
3.6.2 壓電晶體管
3.7 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第4章.壓電電子學(xué)晶體管
4.1 壓電電子學(xué)應(yīng)變傳感器
4.1.1 傳感器的制備和測量
4.1.2 壓電納米線內(nèi)應(yīng)變的計算
4.1.3 傳感器的機(jī)電特性表征
4.1.4 應(yīng)用熱電子發(fā)射?擴(kuò)散理論的數(shù)據(jù)分析
4.1.5 壓阻和壓電效應(yīng)效果的區(qū)分
4.1.6 壓電電子學(xué)效應(yīng)引起的應(yīng)變系數(shù)劇增
4.2 壓電二極管
4.2.1 壓電電子學(xué)效應(yīng)引起的歐姆接觸到肖特基接觸的轉(zhuǎn)變
4.2.2 肖特基勢壘變化的定量分析
4.2.3 壓電電子學(xué)二極管工作機(jī)制
4.2.4 壓電電子學(xué)機(jī)電開關(guān)
4.3 基于垂直納米線的壓電晶體管
4.3.1 反向偏置接觸
4.3.2 正向偏置接觸
4.3.3 兩端口壓電電子學(xué)晶體管器件
4.4 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第5章.壓電電子學(xué)邏輯電路及運(yùn)算操作
5.1 應(yīng)變門控晶體管
5.1.1 器件制備
5.1.2 基本原理
5.2 應(yīng)變門控反相器
5.3 壓電電子學(xué)邏輯運(yùn)算
5.3.1 與非門和或非門（NAND和NOR）
5.3.2 異或門（XOR）
5.4 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第6章.壓電電子學(xué)機(jī)電存儲器
6.1 器件制備
6.2 機(jī)電存儲器原理
6.3 溫度對存儲器性能的影響
6.4 機(jī)電存儲器中的壓電電子學(xué)效應(yīng)
6.5 可復(fù)寫的機(jī)電存儲器
6.6 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第7章.壓電光電子學(xué)理論
7.1 壓電光電子學(xué)效應(yīng)的理論框架
7.2 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對發(fā)光二極管的影響
7.2.1 壓電發(fā)光二極管簡化模型的解析解
7.2.2 壓電p?n結(jié)發(fā)光二極管器件的數(shù)值模擬
7.3 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對光電傳感器的影響
7.3.1 正偏肖特基接觸的電流密度
7.3.2 反偏肖特基接觸的電流密度
7.3.3 光激發(fā)模型
7.3.4 壓電電荷和壓電勢方程
7.3.5 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對雙肖特基接觸結(jié)構(gòu)的影響
7.3.6 金屬?半導(dǎo)體?金屬光電探測器的數(shù)值模擬
7.4 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對太陽能電池的影響
7.4.1 基本方程
7.4.2 基于p?n結(jié)的壓電太陽能電池
7.4.3 金屬?半導(dǎo)體肖特基接觸型太陽能電池
7.5 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第8章.壓電光電子學(xué)效應(yīng)在光電池中的應(yīng)用
8.1 金屬?半導(dǎo)體接觸光電池
8.1.1 實(shí)驗方法
8.1.2 基本原理
8.1.3 光電池輸出的優(yōu)化
8.1.4 理論模型
8.2 p?n異質(zhì)結(jié)太陽能電池
8.2.1 壓電勢對太陽能電池輸出的影響
8.2.2 壓電電子學(xué)模型
8.3 增強(qiáng)型硫化亞銅（Cu2S）/硫化鎘（CdS）同軸納米線太陽能電池
8.3.1 光伏器件設(shè)計
8.3.2 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對輸出的影響
8.3.3 理論模型
8.4 異質(zhì)結(jié)核殼納米線的太陽能轉(zhuǎn)換效率
8.5 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第9章.壓電光電子學(xué)效應(yīng)在光電探測器中的應(yīng)用
9.1 測量系統(tǒng)設(shè)計
9.2 紫外光傳感器的表征
9.3 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對紫外光靈敏度的影響
9.3.1 實(shí)驗結(jié)果
9.3.2 物理模型
9.4 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對可見光探測器靈敏度的影響
9.4.1 實(shí)驗結(jié)果及與計算結(jié)果的比較
9.4.2 壓阻效應(yīng)的影響
9.4.3 串聯(lián)電阻的影響
9.5 壓電光電子學(xué)光電探測的評價標(biāo)準(zhǔn)
9.6 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第10章.壓電光電子學(xué)效應(yīng)對發(fā)光二極管的影響
10.1 發(fā)光二極管的制備和測量方法
10.2 發(fā)光二極管的表征
10.3 壓電效應(yīng)對發(fā)光二極管效率的影響
10.4 壓電極化方向的效應(yīng)
10.5 注入電流與施加應(yīng)變之間的關(guān)系
10.6 發(fā)光光譜和激發(fā)過程
10.6.1 異質(zhì)結(jié)能帶圖
10.6.2 受應(yīng)變發(fā)光二極管的發(fā)光光譜
10.7 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對發(fā)光二極管的影響
10.7.1 基本物理過程
10.7.2 應(yīng)變對異質(zhì)結(jié)能帶的影響
10.8 應(yīng)變對光偏振的影響
10.9 p型氮化鎵薄膜的電致發(fā)光特性
10.9.1 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對發(fā)光二極管的影響
10.9.2 理論模型
10.9.3 發(fā)光特性分析
10.1 0總結(jié)
參考文獻(xiàn)
第11章.壓電光電子學(xué)效應(yīng)在電化學(xué)過程和能源存儲中的應(yīng)用
11.1 光電化學(xué)過程的基本原理
11.2 壓電勢對光電化學(xué)過程的影響
11.3 光電化學(xué)太陽能電池
11.3.1 電池設(shè)計
11.3.2 壓電光電子學(xué)效應(yīng)對光電化學(xué)過程的影響
11.4 壓電勢對機(jī)械能到電化學(xué)能量轉(zhuǎn)化過程的影響
11.4.1 自充電功率源器件的工作原理
11.4.2 自充電功率源器件的設(shè)計
11.4.3 自充電功率源器件的性能
11.5 總結(jié)
參考文獻(xiàn)
附錄
附錄1 王中林小組2006～2012年間發(fā)表的有關(guān)納米發(fā)電機(jī)、壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)方面的文章.
附錄2 縮寫詞

章節(jié)摘錄

　　壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)　　第1章 壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)導(dǎo)論　　第1章壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)導(dǎo)論　　1.1以多樣性和多功能性超越摩爾定律過去幾十年來,摩爾定律作為半導(dǎo)體技術(shù)的路線圖一直在成功地指引和驅(qū)動著信息科技的發(fā)展。隨著單個硅芯片上的器件密度每十八個月就增加一倍，提升CPU速度以及集成片上系統(tǒng)功能成為IT技術(shù)的主要發(fā)展方向。然而隨著微電子工藝的不斷進(jìn)步，當(dāng)器件中的最小線寬尺度趨近10 nm時，人們不禁會問，在維持大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的前提下，器件還能做得多?。咳绱酥〉钠骷叽鐚τ谄骷姆€(wěn)定性和可靠性有哪些利弊和影響？晶體管的運(yùn)算速度是否還能作為我們所追求的衡量判斷器件性能優(yōu)異的唯一的驅(qū)動性指標(biāo)？隨著晶體管等器件的尺寸趨近物理極限，終究有一天摩爾定律會遇到瓶頸甚至失效，這只是個時間的問題。那么，問題的關(guān)鍵是我們?nèi)绾尾拍艹侥柖傻木窒?　　傳感器網(wǎng)絡(luò)和個性化醫(yī)療服務(wù)預(yù)計將成為近期產(chǎn)業(yè)界的主要驅(qū)動力。正如我們在當(dāng)前的電子產(chǎn)品中所觀察到的，電子設(shè)備正朝著個人電子產(chǎn)品、便攜式電子設(shè)備和有機(jī)柔性電子器件等方向不斷發(fā)展。人們正在探索具備功能集成化和多樣化的電子設(shè)備。以手機(jī)為例，在手機(jī)中添置運(yùn)算處理速度超快的處理器也許不會成為將來市場的主流推動力。相比之下，消費(fèi)者更關(guān)心產(chǎn)品是否具備更多的功能，比如在手機(jī)中集成用于監(jiān)測血壓、體溫和血糖濃度的醫(yī)護(hù)傳感器，或者是與環(huán)境接口檢測氣體、紫外線和有害化學(xué)物質(zhì)的傳感器。如圖1-1中橫軸所示，在這種情況下，信息科技將沿著新的方向發(fā)展以滿足后摩爾定律時代對于個人和便攜式電子設(shè)備多樣性和多功能性的需求。更快的運(yùn)算速度和更多樣化的集成功能之間的有機(jī)結(jié)合與協(xié)調(diào)發(fā)展將會是未來電子技術(shù)發(fā)展的趨勢。通過將多功能傳感系統(tǒng)和自供能技術(shù)緊密結(jié)合，電子技術(shù)應(yīng)用正在朝著實(shí)現(xiàn)個人化、便攜化和基于聚合物（有機(jī)柔性電子材料）的電子器件等方向發(fā)展，以期在不遠(yuǎn)的將來實(shí)現(xiàn)電子器件系統(tǒng)與人體自身或者人所處的環(huán)境直接交互作用的目標(biāo)。中央處理器的運(yùn)算處理速度、存儲器的容量和邏輯單元的功能性之間的有機(jī)結(jié)合與發(fā)展將推動智能化系統(tǒng)和自供能系統(tǒng)的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)，這將成為電子技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)路線。　　圖1-1后摩爾定律時代的電子學(xué)發(fā)展展望。豎軸方向代表延續(xù)摩爾定律的電子學(xué)發(fā)展。隨著器件的小型化，器件密度、中央處理器（CPU）速度和存儲器的容量得到不斷地提升。橫軸代表后摩爾定律時代個人和便攜式電子設(shè)備的多樣性和多功能性。未來電子學(xué)的發(fā)展需要將中央處理器的速度和器件的功能多樣性有機(jī)集成。預(yù)計通過壓電電子學(xué)器件將機(jī)械激勵信號集成到電子系統(tǒng)中將是未來人與CMOS接口技術(shù)的重要方面1-2人機(jī)交互界面　　當(dāng)人與電子器件通過接口設(shè)備連接進(jìn)行交互時，不可避免地需要考慮人的動作以及由人體的動作產(chǎn)生的相關(guān)信號和電子器件間的交互作用。人體產(chǎn)生的這些信號大多是機(jī)械運(yùn)動信號，也有少部分是電信號。過去幾十年里對神經(jīng)系統(tǒng)中電信號傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)取得顯著的進(jìn)展。在應(yīng)用硅基場效應(yīng)晶體管探測神經(jīng)元細(xì)胞電信號等技術(shù)領(lǐng)域也已經(jīng)獲得諸多成果。然而如果沒有革新性的設(shè)計和方法，現(xiàn)有的硅工藝器件很難直接與機(jī)械信號交互作用。傳統(tǒng)上最為常見的方法是利用傳感器來探測機(jī)械應(yīng)變的變化。傳感器中由應(yīng)變引起的信號變化可以被傳統(tǒng)電子設(shè)備監(jiān)測和記錄，這是一個被動式的監(jiān)測過程，并且這些由機(jī)械應(yīng)變產(chǎn)生的信號不能被用來進(jìn)一步控制硅電子器件。目前柔性電子學(xué)的研究重點(diǎn)之一是致力于減少或者消除基底的機(jī)械應(yīng)變對集成于基底上的電子器件性能的影響，因此可以稱之為被動式柔性電子學(xué)。另一方面，也可以利用基底形變引入的機(jī)械應(yīng)變所產(chǎn)生的電信號來直接控制硅基電子器件。為了實(shí)現(xiàn)這類機(jī)械應(yīng)變和電子器件之間的直接交互功能，需要一個“中介傳遞器件”或“信號轉(zhuǎn)譯器”將生物機(jī)械運(yùn)動與硅基電子器件關(guān)聯(lián)起來。壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)的發(fā)明和研究就是為了實(shí)現(xiàn)上述目的和應(yīng)用。與傳統(tǒng)的柔性電子學(xué)器件不同的是，壓電電子學(xué)與壓電光電子學(xué)器件是主動式的柔性電子學(xué)器件（active flexible electronics）和生物信號（衍生）驅(qū)動的電子學(xué)器件（bio driven electronics），這類器件可以利用機(jī)械信號來直接產(chǎn)生數(shù)字控制信號?！　弘婋娮訉W(xué)器件在未來電子系統(tǒng)中扮演的角色類似生理學(xué)中的機(jī)械感受器［1］。機(jī)械感受（mechanosensation）是一種感受機(jī)械刺激的生理響應(yīng)機(jī)制。觸覺、聽覺、身體平衡感知和痛覺的生理學(xué)基礎(chǔ)是將機(jī)械刺激轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號；前者是機(jī)械激勵而后者是電信號激發(fā)。皮膚中的機(jī)械應(yīng)激感受器對觸覺的產(chǎn)生具有重要的作用，內(nèi)耳的微小神經(jīng)細(xì)胞（一種機(jī)械應(yīng)激感受器）則負(fù)責(zé)聽覺和身體的平衡能力?！　?.3壓電電子學(xué)和壓電光電子學(xué)的物理基礎(chǔ):壓電勢　　壓電效應(yīng)是材料在所受應(yīng)力改變時產(chǎn)生電勢差的效應(yīng)，對于這一效應(yīng)的認(rèn)識和研究可以追溯到幾個世紀(jì)前。最常見的壓電材料是具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的鋯鈦酸鉛(PZT)［Pb(Zr,Ti)O3］。鋯鈦酸鉛被廣泛應(yīng)用于機(jī)電傳感器、執(zhí)行器和能量采集設(shè)備。然而鋯鈦酸鉛是絕緣體，因此不適合電學(xué)器件應(yīng)用。傳統(tǒng)意義上，對于壓電材料和壓電效應(yīng)的研究主要局限于陶瓷材料領(lǐng)域。另一方面，纖鋅礦結(jié)構(gòu)材料［如氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）和硫化鋅（ZnS）等］也具有壓電性質(zhì)，但是由于這些材料的壓電系數(shù)相對較小，因此在壓電傳感和執(zhí)行驅(qū)動等方面的應(yīng)用不如鋯鈦酸鉛那么普遍和廣泛。由于這些纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料具有半導(dǎo)體和光激發(fā)等性質(zhì)，所以一直以來對于它們的研究主要集中在電子學(xué)和光學(xué)領(lǐng)域?！　」杌鵆MOS器件是通過外加電場驅(qū)動器件中載流子傳輸過程來實(shí)現(xiàn)操作的。為了能夠利用機(jī)械信號來直接調(diào)控硅基CMOS器件的工作，我們需要將機(jī)械信號轉(zhuǎn)換成電信號。最自然的選擇是利用壓電效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，我們選擇同時具有壓電性質(zhì)和半導(dǎo)體性質(zhì)的纖鋅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料，如氧化鋅（ZnO）、氮化鎵（GaN）、氮化銦（InN）和硫化鋅（ZnS）等。以氧化鋅為例，氧化鋅具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu),在受到外加應(yīng)力作用下將自然表現(xiàn)出壓電效應(yīng)。纖鋅礦結(jié)構(gòu)晶體具有六角結(jié)構(gòu)，在c軸方向和垂直于c軸的方向存在明顯的各項異性。簡單地講，Zn2+ 陽離子與相鄰的O2-陰離子組成以陽離子為中心的正四面體結(jié)構(gòu)。在沒有外應(yīng)力作用時，陽離子和陰離子的電荷中心互相重合。如圖1-2(a)所示，當(dāng)應(yīng)力施加在正四面體的頂點(diǎn)時，陽離子和陰離子的電荷中心會發(fā)生相對位移并產(chǎn)生一個偶極矩。晶體中所有單元產(chǎn)生的偶極矩疊加后會在宏觀上產(chǎn)生沿應(yīng)力方向的電勢分布。這就是壓電電勢(亦稱壓電勢，piezopotential)［圖1-2(b)］［2］。當(dāng)施加機(jī)械形變時，具有壓電性質(zhì)的材料內(nèi)產(chǎn)生的壓電電勢可以驅(qū)動外電路負(fù)載中的電子流動，這就是納米發(fā)電機(jī)的基本原理［3,4,5,6］?！　D1-2纖鋅礦晶體中的壓電勢分布。(a) 纖鋅礦結(jié)構(gòu)氧化鋅晶體的原子結(jié)構(gòu)模型。(b) 溶液法合成的豎直氧化鋅納米線陣列。受軸向應(yīng)變的氧化鋅納米線內(nèi)壓電勢分布的數(shù)值計算結(jié)果。納米線生長沿c軸方向，納米線長度為600 nm，邊長為25 nm;外力F=80 nN　　當(dāng)不考慮氧化鋅材料中的摻雜時，沿c軸生長的氧化鋅納米線受外應(yīng)力作用時的壓電勢分布可以利用Lippman理論計算得到［7,8,9］。例如，對一根沿+c方向生長的長度為1200 nm且橫截面六角形邊長為100 nm的氧化鋅納米線，當(dāng)其受到80 nN的拉伸應(yīng)力時，納米線兩端產(chǎn)生的壓電勢差大約為0-4 V，且此時納米線+c端的壓電勢為正［圖1-2(b)］［10］。當(dāng)所加應(yīng)力變?yōu)橥瑯哟笮〉膲嚎s應(yīng)力時，納米線內(nèi)的壓電勢分布正負(fù)極性反轉(zhuǎn)，但兩端之間的壓電勢差仍為0-4 V，且此時納米線-c端的壓電勢為正。晶體中這個內(nèi)電勢的產(chǎn)生是壓電電子學(xué)的核心所在。　　對于壓電晶體內(nèi)壓電勢的研究和利用已經(jīng)開創(chuàng)了很多新的領(lǐng)域。其中，納米發(fā)電機(jī)被用來將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為電能［11,12,13,14］。當(dāng)形變的壓電晶體的兩個極性面被接到外電路負(fù)載上時，壓電勢使得兩端接觸電極處的費(fèi)米能級間產(chǎn)生差異，因此為了“屏蔽”局域的壓電勢，外電路中的自由電子從低電勢端被驅(qū)動流向高電勢端以達(dá)到新的平衡。負(fù)載中產(chǎn)生的電流是受壓電勢驅(qū)動的電子瞬態(tài)流動的結(jié)果。如果動態(tài)應(yīng)力作用于壓電晶體，則壓電勢的連續(xù)變化可以產(chǎn)生交變的電子流動。這意味著如果外界施加的應(yīng)力是變化的，即外力連續(xù)做功，那么納米發(fā)電機(jī)將可以連續(xù)輸出電能［圖1-3(a)］。對于納米發(fā)電機(jī)的研究和應(yīng)用已經(jīng)獲得了很大進(jìn)展。截至2012年8月納米發(fā)電機(jī)的電壓輸出已經(jīng)達(dá)到58 V，輸出功率也在不斷得到提升并可以驅(qū)動液晶顯示器、發(fā)光二極管和激光二極管等小型電子元件［15,16,17,18］。作為適用于微/納系統(tǒng)的可持續(xù)自供給能源，納米發(fā)電機(jī)將在能源收集等研究與技術(shù)領(lǐng)域扮演十分重要的角色?！　D1-3由彩色色標(biāo)表示的納米結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的壓電勢。這是納米發(fā)電機(jī)和壓電電子學(xué)的物理基礎(chǔ)。(a) 納米發(fā)電機(jī)是基于壓電勢驅(qū)動外電路負(fù)載中電子流動的過程。(b) 壓電電子學(xué)器件的工作是利用壓電勢在金屬?半導(dǎo)體界面或p-n結(jié)區(qū)域?qū)d流子傳輸性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。壓電光電子學(xué)器件則是利用壓電勢在界面或結(jié)區(qū)對載流子產(chǎn)生、分離、傳輸以及復(fù)合過程進(jìn)行調(diào)控　　1.4壓電電子學(xué)領(lǐng)域的創(chuàng)立　　2006年,王中林研究組完成了兩個相互獨(dú)立的實(shí)驗。第一個實(shí)驗是在掃描電子顯微鏡(SEM)中對兩端完全被電極包裹封裝的長氧化鋅線受應(yīng)力彎曲時的電傳輸性質(zhì)進(jìn)行了測量［19］。實(shí)驗觀察到隨著彎曲程度增加，氧化鋅線的電導(dǎo)急劇下降。這個現(xiàn)象可以解釋為當(dāng)氧化鋅線彎曲時在線中產(chǎn)生的壓電勢差可以起到控制載流子傳輸?shù)拈T極電壓的作用。這類器件被稱為壓電場效應(yīng)晶體管(PE-FET)?！　〉诙€實(shí)驗是用雙探針操作對單根氧化鋅納米線的電傳輸特性進(jìn)行了測量［20］。實(shí)驗中納米線被平放在絕緣基底上，一根探針固定住納米線一端,另一根探針則推動納米線的自由端并在納米線彎曲的過程中接觸其拉伸面。鎢探針針尖與納米線之間形成歐姆接觸。當(dāng)增大納米線的彎曲程度時，氧化鋅納米線的伏安特性從直線型變?yōu)榫哂姓魈匦缘那€。此現(xiàn)象可以解釋為當(dāng)氧化鋅納米線受應(yīng)力時在接觸界面區(qū)域產(chǎn)生了正的壓電勢，這個壓電勢作為勢壘起到了單向?qū)娮恿鲃拥淖饔?。這就是壓電二極管(PE diode)?！　弘妶鲂?yīng)晶體管和壓電二極管的工作都是基于納米線中由應(yīng)變導(dǎo)致的壓電勢。通過壓電勢引起外電路的電子流動是一個能量采集和轉(zhuǎn)換的過程。壓電勢的存在也可以顯著地改變基于納米線的場效應(yīng)晶體管（FET）中的電流傳輸特性。為了系統(tǒng)地表述這類系統(tǒng)中壓電與半導(dǎo)體特性的耦合性質(zhì)，王中林在2006年11月24日引入了納米壓電電子學(xué)的概念，并于幾天后在美國波士頓進(jìn)行的美國材料學(xué)會（MRS）秋季會議上對這一概念進(jìn)行了公開闡釋［21］。隨后王中林在2007年發(fā)表的一篇短文中為此領(lǐng)域新創(chuàng)了piezotronics（壓電電子學(xué)）這一術(shù)語［22,23］。壓電電子學(xué)的基礎(chǔ)就是應(yīng)用壓電勢來調(diào)節(jié)和控制納米線中的載流子傳輸性質(zhì)［圖1-3(b)］。自此，壓電電子學(xué)的研究和應(yīng)用取得了大量引人注目的進(jìn)展，這些將在隨后的章節(jié)中詳細(xì)闡述?！　?.5壓電電子學(xué)效應(yīng)　　一個最簡單的納米線場效應(yīng)晶體管是一根兩端被電極包裹的半導(dǎo)體線。線兩端的電接觸構(gòu)成器件的源極和漏極，門極電壓既可以通過上門電極加在納米線上，也可以通過器件底部的基底施加。通過在源極和漏極間施加一個驅(qū)動電壓VDS,半導(dǎo)體器件中的載流子傳輸過程可以由外界施加的門極門電壓VG來調(diào)節(jié)與控制。　　另一方面，門極門電壓也可以由產(chǎn)生于晶體中的壓電勢（內(nèi)電勢）來代替，從而使場效應(yīng)晶體管中的載流子傳輸過程由器件所受的應(yīng)力來調(diào)節(jié)和開關(guān)［20］。這種由機(jī)械形變動作觸發(fā)驅(qū)動的器件被稱為壓電電子學(xué)器件。當(dāng)一根氧化鋅納米線受到沿其長度方向的軸向應(yīng)變時，可以觀察到兩種典型的效應(yīng)。一種是壓阻效應(yīng)（piezoresistance effect），此效應(yīng)與半導(dǎo)體材料的帶隙以及可能的導(dǎo)帶態(tài)密度的改變有關(guān)。由于壓阻效應(yīng)沒有極性，因此納米線場效應(yīng)晶體管源漏極受壓阻效應(yīng)的影響是相同的。另一方面，壓電勢是沿著納米線長度方向分布的。對受到軸向應(yīng)變的納米線，壓電勢從納米線一端連續(xù)下降到另一端，這意味著對應(yīng)的電子能量從納米線一端連續(xù)增加到另一端。與此同時，當(dāng)納米線在沒有外加電場作用達(dá)到平衡時，整個納米線內(nèi)的費(fèi)米能級持平不變。這導(dǎo)致氧化鋅和金屬電極之間的等效勢壘高度和/或?qū)挾葘⒃诩{米線的一端升高而在另外一端下降。因此，壓電勢對源漏極處勢壘高度的影響呈非對稱效應(yīng)。綜上所述，壓電電子學(xué)效應(yīng)就是利用壓電勢調(diào)節(jié)和控制界面或結(jié)區(qū)載流子傳輸性質(zhì)的效應(yīng)［22,25］?！　?-5-1壓電電子學(xué)效應(yīng)對金屬?半導(dǎo)體接觸的作用　　對壓電電子學(xué)效應(yīng)更好的理解可以通過將其與半導(dǎo)體器件中肖特基接觸和p?n結(jié)這兩種最為基本的結(jié)構(gòu)比較而得。當(dāng)金屬和n型半導(dǎo)體形成接觸時，如果金屬的功函數(shù)明顯大于半導(dǎo)體的電子親和勢，則界面處將形成肖特基勢壘 (SB)(e-SB)［圖1-4(a)］。只有當(dāng)金屬?半導(dǎo)體接觸處外加的電壓大于閾值(i)且金屬一端所接電勢為正時(對n型半導(dǎo)體而言)，電流才能單向通過此勢壘。若引入合適的光激發(fā)，新生的光生電子空穴對不僅能大幅增強(qiáng)結(jié)區(qū)的局域?qū)щ娦?，而且電荷在界面附近的重新分布將使得結(jié)區(qū)等效勢壘高度被降低［圖1-4(b)］。　　如圖1-4(c)所示，當(dāng)具有壓電性質(zhì)的半導(dǎo)體材料受到應(yīng)變時，半導(dǎo)體材料內(nèi)的負(fù)壓電勢將使肖特基勢壘高度增高到e′,而正壓電勢將降低肖特基勢壘高度。壓電勢的極性由氧化鋅納米線的c軸方向決定。壓電勢扮演的角色是通過內(nèi)建電場來有效地改變接觸區(qū)域的導(dǎo)電特性，從而調(diào)節(jié)或控制金屬?半導(dǎo)體接觸區(qū)域的載流子傳輸過程?？紤]到壓電勢的極性可以通過控制應(yīng)變類型從拉伸到壓縮的轉(zhuǎn)換來改變，因而接觸結(jié)區(qū)的導(dǎo)電特性可以由應(yīng)變的大小和極性類型來調(diào)控，這就是壓電電子學(xué)的核心所在。　　壓電材料在應(yīng)變作用下就產(chǎn)生壓電極化電荷,而這些電荷是以不能流動的離子電的形式分布在表面或界面處一極小范圍。因為壓電材料是介電質(zhì)而非良導(dǎo)體，極化電荷只能被部分地屏蔽，而不能被完全中和。當(dāng)然極化電荷也可在金屬一邊產(chǎn)生鏡像電荷。正的極化電荷可以降低金屬?半導(dǎo)體的接觸勢壘，而負(fù)的極化電荷可以升高金屬?半導(dǎo)體的接觸勢壘［圖1-5(b)(c)］。極化電荷所產(chǎn)生的壓電電場的作用就是根據(jù)晶體的極化方向和局域極化的符號來改變局域接觸處的性能，進(jìn)而對載流子在金屬?半導(dǎo)體的界面的輸運(yùn)過程進(jìn)行調(diào)制或控制。因為壓電電場的極性可以由所加外應(yīng)變的符號來控制，局域的輸運(yùn)性能就可以自如來控制?！　D1-4金屬?半導(dǎo)體肖特基接觸界面處在激光激發(fā)和壓電電場共同作用下的能帶圖。(a) 金屬?半導(dǎo)體肖特基接觸的能帶。(b) 受到光子能量大于半導(dǎo)體材料帶隙的激光激發(fā)的金屬?半導(dǎo)體肖特基接觸的能帶圖，其中等效肖特基勢壘高度降低。(c) 半導(dǎo)體受應(yīng)變時的金屬?半導(dǎo)體肖特基接觸能帶圖。半導(dǎo)體中產(chǎn)生的壓電勢具有極性，此處與金屬接觸端為低壓電勢端　　圖1-5(a)~(c) 壓電極化電荷對金屬?半導(dǎo)體（n型）接觸處肖特基勢壘能帶結(jié)構(gòu)的影響。表面處正極化電荷降低勢壘高度，而負(fù)極化電荷升高勢壘高度。(d)~(f) 壓電極化電荷對p-n結(jié)處能帶結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而影響界面處載流子的分離或結(jié)合。這里我們假定p-n結(jié)是由兩種能帶寬度類似的材料而形成。紅黑兩種線分別表示考慮和不考慮壓電電荷情況下的能帶結(jié)構(gòu)　　1.5.2壓電電子學(xué)效應(yīng)對p-n結(jié)的作用　　當(dāng)p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體形成p?n結(jié)時，界面附近p型半導(dǎo)體中的空穴和n型半導(dǎo)體中的電子會重新分布以平衡局域電勢。結(jié)區(qū)電子和空穴的互擴(kuò)散和復(fù)合最終在結(jié)區(qū)形成電荷耗盡區(qū)［圖1?5(a)］。當(dāng)在n型半導(dǎo)體側(cè)外加正電壓時，結(jié)區(qū)的耗盡層寬度會增大使得只有極少數(shù)的載流子可以流過結(jié)區(qū)；而當(dāng)在p型半導(dǎo)體側(cè)外加的正電壓高到可以克服耗盡區(qū)勢壘時，載流子可以流過結(jié)區(qū)。這就是p?n結(jié)二極管的工作原理。耗盡層的存在可以增強(qiáng)壓電電荷的局部作用［圖1-5(d)］,如果p區(qū)是一壓電材料，應(yīng)變產(chǎn)生的正的壓電電荷可以降低局域的能帶，因而形成能帶的局部下彎［圖1-5(e)］，應(yīng)變產(chǎn)生的負(fù)的壓電電荷可以升高局域的能帶，因而形成能帶的局部上彎［圖1-5(f)］。能帶的局部彎曲可以改變和調(diào)制載流子的產(chǎn)生、輸運(yùn)、分離或復(fù)合，進(jìn)而影響太陽能電池、光探測器或發(fā)光二極管的工作效率。另外，壓電電場所產(chǎn)生的能帶的傾斜可以影響載流子的輸運(yùn)?！　∪鐖D1-6所示，若p?n結(jié)中一側(cè)的半導(dǎo)體材料中由于應(yīng)變產(chǎn)生了壓電勢，p-n結(jié)區(qū)附近的局域能帶結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化。為了易于理解，我們在討論中也考慮了載流子對壓電勢的屏蔽效應(yīng)。這意味著n型半導(dǎo)體內(nèi)的正壓電勢端將幾乎被電子完全屏蔽，而負(fù)壓電勢端則幾乎不受影響?；谕瑯拥脑颍琾型半導(dǎo)體中的負(fù)壓電勢端將幾乎被空穴完全屏蔽，而正壓電勢端則幾乎不受影響。圖1-6(b)中給出了壓電勢對于p-n結(jié)區(qū)能帶的影響，其中p型半導(dǎo)體具有壓電性質(zhì)并且受到應(yīng)變，相應(yīng)產(chǎn)生的壓電勢給結(jié)區(qū)能帶帶來明顯改變，并顯著影響流經(jīng)結(jié)區(qū)的載流子傳輸特性。這就是壓電電子學(xué)的基礎(chǔ)。　　圖1-6由兩種帶隙相近的半導(dǎo)體材料形成的p-n結(jié)受壓電電場作用下的能帶圖。圖中給出了四種可能的能帶變化，其中黑色和紅色曲線分別代表結(jié)區(qū)不存在和存在壓電電場的情況。假設(shè)n型和p型半導(dǎo)體材料的帶隙相等。能帶圖中也顯示了極性反轉(zhuǎn)的效應(yīng)　　此外，當(dāng)p型半導(dǎo)體中的空穴受壓電電場影響漂移到n型半導(dǎo)體中并與其導(dǎo)帶上的電子復(fù)合時，也可能導(dǎo)致光子輻射,這是由壓電勢引發(fā)的光子輻射過程，即壓電光子學(xué)效應(yīng)［25］。觀測壓電光子學(xué)過程可能需要滿足以下條件：首先，壓電勢要明顯大于i，從而使得局域壓電電場足夠強(qiáng)以驅(qū)動空穴漂移穿越過p-n結(jié)；其次，為產(chǎn)生壓電勢施加的應(yīng)變變化率需要足夠大，從而使得載流子穿越界面的時間小于載流子復(fù)合的時間；耗盡層寬度需要足夠小，使得在壓電勢的作用區(qū)域內(nèi)有足夠的載流子；最后，選擇直接帶隙半導(dǎo)體材料將有利于此現(xiàn)象的觀測?！　-n結(jié)和肖特基接觸的基本工作原理是界面處存在的等效勢壘使得載流子可以被分離到界面兩側(cè)。勢壘的高度和寬度是器件的特征參數(shù)。在壓電電子學(xué)中，壓電勢起到的作用是通過壓電效應(yīng)來有效地調(diào)節(jié)p?n結(jié)勢壘的寬度或者肖特基勢壘的高度?！　?.6壓電光電子學(xué)效應(yīng)　　壓電光電子學(xué)的學(xué)科研究于2010年被首次提出［26,27,28］。對于同時具有半導(dǎo)體、光激發(fā)和壓電性質(zhì)的材料，除了眾所周知的研究半導(dǎo)體性質(zhì)與光激發(fā)性質(zhì)耦合的光電子學(xué)領(lǐng)域外，對半導(dǎo)體與壓電特性耦合效應(yīng)的研究形成了壓電電子學(xué)領(lǐng)域，而對壓電特性和光激發(fā)特性耦合效應(yīng)的研究則形成了壓電光子學(xué)領(lǐng)域。更進(jìn)一步地對半導(dǎo)體、光激發(fā)和壓電特性三者之間耦合效應(yīng)的研究則形成了壓電光電子學(xué)（piezo?phototronics）領(lǐng)域［25］，這成為構(gòu)建新型壓電?光子?電子納米器件的基礎(chǔ)。壓電光電子學(xué)效應(yīng)應(yīng)用壓電勢調(diào)節(jié)和控制界面或結(jié)區(qū)載流子的產(chǎn)生、分離和傳輸以及其他復(fù)合過程，通過對壓電光電子學(xué)的研究可以實(shí)現(xiàn)高性能的新型光電子器件 (圖1-7)。　　圖1-7壓電、光激發(fā)和半導(dǎo)體性質(zhì)的三元耦合是研究和應(yīng)用壓電電子學(xué)（壓電與半導(dǎo)體性質(zhì)耦合）、壓電光子學(xué)（壓電與光激發(fā)性質(zhì)耦合）、傳統(tǒng)光電子學(xué)(半導(dǎo)體性質(zhì)與光激發(fā)性質(zhì)耦合)和壓電光電子學(xué)（壓電、半導(dǎo)體與光激發(fā)性質(zhì)耦合）的基礎(chǔ)?！　　?/pre>




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