作者:王中林等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2014-5-6 17:26:44
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压电电子学及压电光电子学的原理与应用

压电电子学和压电光电子学的物理过程和潜在应用领域

利用机械应变产生的压电极化电荷来调控载流子的输运过程,压电电子学和压电光电子学为实现人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供了全新的思路和途径。由于这种新的物理效应所引起的可能的全新基础现象和前所未有的器件应用,压电电子学和压电光电子学已经成为国际上纳米科学技术研究的前沿和热点,引起了国际学术界和企业界的广泛关注。2009年,美国著名的《麻省理工学院技术综述》期刊把压电电子学评选为十大新兴科技之一。2013年美国材料学会春季会议已经单独设立一个以压电电子学作为主题的分会。
 
实现和推动消费性电子产品、人造皮肤、机器人、生物医疗和可穿戴式科技等新兴应用,需要具有功能可调控的电子器件的设计和开发。电子器件和周围环境或寄主(例如人体)中的激励信号之间主动自适应式的交互在这些新兴应用中起着至关重要的作用,广泛存在于环境中的机械信号则为调控微纳系统中的电器元件提供了重要和丰富的激励来源。近年来,对于具有铅锌矿结构的氧化锌(ZnO)和氮化镓(GaN)等压电半导体材料的深入研究表明,当这类压电半导体材料受到外加应力时,由于晶体中离子的极化产生的极化电荷可以有效改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质。基于这种现象,王中林教授于2007和2010年提出压电电子学和压电光电子学两个原创的概念并形成了相应的研究领域。
 
压电电子学效应是利用应变引起的界面极化电荷调制界面处能带结构并进而有效地调节和控制界面或结区的载流子输运过程的一个物理效应。压电极化电荷导致的能带结构变化还可以有效地改变和调制载流子在光电过程中的产生、输运、分离或复合,这就是压电光电子学效应。
 
基于上述物理效应,王中林教授课题组围绕压电电子学和压电光电子学这两个原创概念做了大量而又深入的研究工作,包括:压电场效应晶体管和压电二极管,基于单根氧化锌压电细线的应变传感器,基于压电电子学效应的应变门控晶体管(strain-gated transistor),压电电子学逻辑运算和压电调制阻性开关器件。利用垂直生长的纳米压电材料,王中林研究组进一步研制出大规模三维压电电子学晶体管阵列,首次实现利用纳米压电材料受应力/应变作用而产生的压电电势对制得的压电电子学晶体管中的载流子输运进行有效调控以实现主动自适应式的压力传感成像的柔软型芯片。
 
压电电子学效应也可被用来调节和显著改善基于肖特基结构的传感器的灵敏度。另一方面,利用压电电场对光生载流子产生、分离、传输和复合等过程的有效调控,压电光电子学效应在光电池、太阳能电池、发光二极管以及光探测器领域中的应用也得到了相应的研究,包括:实现用光、力二维对氧化锌纳米线的电输运性质的耦合调控和以外加应力优化金属-ZnO光电池的输出,显著提高基于单根单晶外延n-CdS(core)/p-Cu2S(shell)芯-壳结构纳米线的太阳能电池的转换效率,显著提高光探测的灵敏度。王中林研究组最近垂直生长的纳米压电材料阵列研制出大规模发光二极管阵列,并且利用压电光电子学效应首次实现利用外界应力/应变改变纳米压电发光二极管发光强度的过程;首次研制出主动自适应式的、高分辨率的、以光电信号为媒介、并行处理的压力传感成像芯片系统。
 
由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士担任通讯作者的综述文章“压电电子学和压电光电子学:原理与应用”已在《国家科学评论》(NSR,http://nsr.oxfordjournals.org/content/current)创刊号发表。这篇综述文章详细阐述了压电电子学和压电光电子学效应的基本物理原理,并重点介绍了这两个新兴领域在人机交互、主动式柔性电子器件、传感、能源采集、生物医疗等应用领域的最新进展。(来源:科学网)
 
 
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