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CN110316693B - 一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法 - Google Patents

一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法 Download PDF

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CN110316693B CN201910589098.1A CN201910589098A CN110316693B CN 110316693 B CN110316693 B CN 110316693B CN 201910589098 A CN201910589098 A CN 201910589098A CN 110316693 B CN110316693 B CN 110316693B
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Abstract

本发明将一对局部拉伸压缩应力作用在一根氧化锌压电半导体纳米纤维上，改变局部应力的大小来改变氧化锌压电半导体纳米纤维的伏安特性，实现通过局部应力来调控其电流是否导通以及导通电流大小。表现为：当外加电压幅值低于第一个电压临界值时，无论外加电压正负，任何一个方向的电流都不能通过纤维；当外加电压幅值高于第一个电压临界值且低于电压第二个临界值时，电流向一个方向流动，但不能向另一个方向流动；当外加电压幅值高于第二临界值时，电流双向流动；且局部应力大小对上述两个电压临界值大小的影响显著。局部应力就像一个开关，在给定电压幅值的情况下，决定氧化锌压电半导体纤维在一个或两个方向上是否导通电流以及导通电流的大小。

Description

一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法
技术领域：
本发明涉及一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其属于微纳米器件领域。
背景技术：
随着微电子工艺的不断进步，单个芯片上的器件集成密度越来越高，在能够实现同样功能的前提下，微型化、小型化正逐渐成为硬件的发展趋势。因此微纳米级器件的研究已经成为目前的前沿和热点。
为了满足器件微型化的发展需求，近些年来，许多与纳米相关的科学领域，如纳米医学、纳米生物、纳米电子学等等，都取得了许多重要的成果。微纳米器件在许多重要的科技领域，如通信领域、航空航天以及诸多材料领域都应用广泛。2009年，美国著名的《麻省理工学院技术综述》期刊将基于以压电电子学为理论基础的微纳米器件评选为十大新兴科技之一。近些年来，众多科研工作者所致力的氧化锌纳米结构的研究，已经取得了许多系统性以及开创性的研究成果。这些成果将在传感器、人与硅基技术的交互界面、微机电系统、纳米机器人以及主动式电子柔性器件等领域产生重要的应用。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，能够通过改变局部应力的大小控制氧化锌压电半导体纤维上的电流是双向导通、单向导通或者双向均不导通，以及导通电流的大小。
本发明所采用的技术方案有：一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，将一对局部拉伸或压缩应力作用在一根N型氧化锌压电半导体纳米纤维上；
所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维满足压电半导体唯象理论运动方程：
Figure BDA0002115392090000021
其中T是应力张量，f是体力矢量，ρ质量密度，u是机械位移矢量，D是电子位移矢量，q表示基本电荷带电量，p和n是空穴和电子的浓度，
Figure BDA0002115392090000022
和
Figure BDA0002115392090000023
是供体和受体的杂质浓度，
Figure BDA0002115392090000024
和
Figure BDA0002115392090000025
分别是空穴和电子的电流密度。
进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维还满足压电半导体唯象理论本构方程：
Figure BDA0002115392090000026
其中S是应变张量，e是电场矢量，
Figure BDA0002115392090000027
是弹性柔度常数，dkij是压电常数，
Figure BDA0002115392090000028
是介电常数，
Figure BDA0002115392090000029
和
Figure BDA00021153920900000210
是载流子迁移率，
Figure BDA00021153920900000211
和
Figure BDA00021153920900000212
载流子扩散常数。
进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维的应变张量S、位移矢量u、电场强度E和电势
Figure BDA00021153920900000213
还满足如下关系式：
Figure BDA00021153920900000214
进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维在左端x＝-L处的边界条件为：位移u(-L)＝0，电子浓度n＝1021，电势
Figure BDA00021153920900000215
在右端x＝L处的边界条件为：应力T＝0，电子浓度n＝1021，电势
Figure BDA00021153920900000216
进一步地，局部拉伸或压缩应力的加载区域的长度2a远小于N型氧化锌压电半导体纤维的总长度2L。
进一步地，当V＝0时，由于局部应力的施加，N型氧化锌压电半导体纤维会在局部加载区域及其附近产生势井/势垒；当局部应力幅值较小时，势井/势垒相对于加载区域的中心呈现近似反对称性，当局部应力幅值增大时，势井/势垒的反对称性被破坏，从而出现两个二个电压临界值。
进一步地，在给定局部应力的作用下：当外加电压V的幅值低于第一个电压临界值时，局部应力所产生的势井/势垒将阻止两个方向的电流通过氧化锌压电半导体纳米纤维；当外加电压幅值高于第一个电压临界值且低于电压第二个临界值时，该势井/势垒仅阻止一个方向的电流而允许另一个方向的电流通过氧化锌压电半导体纳米纤维；当外加电压幅值高于第二临界值时，两个方向的电流均可通过氧化锌压电半导体纳米纤维。
本发明具有如下有益效果：本发明结构简单，容易实现。在给定外加电压幅值的情况下，所述微纳米级机电开关能够通过改变局部外加应力的大小决定氧化锌压电半导体纤维上的电流是双向导通、单向导通或者双向均不导通以及导通电流的大小，这为机械控制微纳米级器件的电学行为提供了一种手段。
附图说明：
图1为本发明通过局部加载应力调控微纳米级机电开关的方法的一个实施例结构示意图。
图2a为本发明实施例提供的在电压V＝0V(伏)和不同给定局部应力F作用下电势φ沿氧化锌纳米纤维分布示意图。
图2b为本发明实施例提供的在给定局部应力F＝300nN(纳牛)和不同给定外加电压V作用下电势φ沿氧化锌纳米纤维分布示意图。
图3为本发明实施例提供的在不同给定局部应力F作用下的伏安特性曲线示意图。
具体实施方式：
本发明通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，主要涉及到将一对局部拉伸或压缩应力作用在一根N型氧化锌压电半导体纳米纤维上。其中N型氧化锌压电半导体纤维满足压电半导体唯象理论运动方程：
Figure BDA0002115392090000041
其中T是应力张量，f是体力矢量，ρ质量密度，u是机械位移矢量，D是电子位移矢量，q表示基本电荷带电量，p和n是空穴和电子的浓度，
Figure BDA0002115392090000042
和
Figure BDA0002115392090000043
是供体和受体的杂质浓度，
Figure BDA0002115392090000044
和
Figure BDA0002115392090000045
分别是空穴和电子的电流密度。(1)1是运动方程(牛顿定律)，(1)2是静电学的电荷方程(高斯定律)，(1)3和(1)4分别是空穴和电子的电荷守恒方程。
其中N型氧化锌压电半导体纤维还满足压电半导体唯象理论本构方程：
Figure BDA0002115392090000046
其中S是应变张量，e是电场矢量，
Figure BDA0002115392090000047
是弹性柔度常数，dkij是压电常数，
Figure BDA0002115392090000048
是介电常数，
Figure BDA0002115392090000049
和
Figure BDA00021153920900000410
是载流子迁移率，
Figure BDA00021153920900000411
和
Figure BDA00021153920900000412
载流子扩散常数。(2)1和(2)2是压电材料常用的本构关系，(2)3和(2)4则用于空穴电流和电子电流，包括电场作用下的漂移电流和由载流子浓度梯度引起的扩散电流。
其中N型氧化锌压电半导体纤维的应变张量S、位移矢量u、电场强度E和电势
Figure BDA00021153920900000416
还满足如下关系式：
Figure BDA00021153920900000413
其中N型氧化锌压电半导体纤维在左端x＝-L处的边界条件为：位移u(-L)＝0；电子浓度n＝1021；电势
Figure BDA00021153920900000414
在右端x＝L处的边界条件为：应力T＝0；电子浓度n＝1021；电势
Figure BDA00021153920900000415
其中一对局部拉伸(压缩)应力，的加载区域的长度2a远小于N型氧化锌压电半导体纤维的总长度2L。
其中当V＝0时，由于局部应力的施加，氧化锌压电半导体纤维会在局部加载区域及其附近产生势井/势垒。当局部应力幅值较小时，势井/势垒相对于加载区域的中心呈现近似反对称性；当局部应力幅值逐渐增大时，由于非线性效果的影响，势井/势垒的反对称性逐渐被破坏，从而出现两个二个电压临界值。
其中在给定局部应力的作用下：当外加电压V的幅值低于第一个电压临界值时，任何一个方向的电流都不能流过氧化锌压电半导体纤维；当外加电压V的幅值大于第一个电压临界值小于第二个临界电压时，电流可以向氧化锌压电半导体纤维的一个方向流动，但如果电压的符号改变，则不会向另一个方向流动；当外加电压V的幅值超过第二个电压临界值时，电压的符号改变，电流可以双向流动。
其中局部应力大小对微纳米级机电开关的两个电压临界值大小影响显著。局部应力值越大，两个电压临界值越大，但不呈现简单的线性关系
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在本发明通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法实施例中，其结构示意图如图1所示。图1中，该微纳米级机电开关为一根中间施加局部拉伸应力F的N型氧化锌压电半导体纳米纤维。其中N型氧化锌压电半导体纤维，包括如下几何参数：纤维总长2L＝60μm；纤维半径R＝0.02875μm；局部应力加载区长度2a＝1.2μm；其中N型氧化锌压电半导体纤维在左端x＝-L处的边界条件为：位移u(-L)＝0；电子浓度n＝1021；电势
Figure BDA0002115392090000051
在右端x＝L处的边界条件为：应力T＝0；电子浓度n＝1021；电势
Figure BDA0002115392090000052
本发明对此氧化锌压电半导体纳米纤维在不同局部加载F和外加电压V作用下的电学行为进行考察，具体结果在图2a、图2b以及图3中展示。
具体来讲，图2a中，给定外加电压V＝0，即氧化锌压电半导体纳米纤维两端电学短路，给出了在局部应力F＝10nN、F＝30nN以及F＝50nN作用下，电势
Figure BDA0002115392090000053
沿着氧化锌压电半导体纳米纤维的分布情况。由于压电效应的存在，电势分布出现一个凹陷和一个凸起。其中凹陷部分称为局部势井，凸起部分称为局部势垒。且由于非线性效应的存在，势井和势垒并不具有中心反对称性，从而导致氧化锌压电半导体纳米纤维的伏安特性曲线也不具有中心反对称性，即产生两个电压临界值。
图2b中，给定外加局部应力F＝300nN，给出了在不同外加电压V＝3V(伏)、V＝6V、V＝9V以及V＝12V作用下，电势
Figure BDA0002115392090000054
沿着氧化锌压电半导体纳米纤维的分布。可以看到，由于局部势井和局部势垒的存在，当外加电压V＝3V和V＝6V时，其对氧化锌纳米纤维电势分布的影响不能够通过势井/势垒，即局部应力加载区左侧的电势
Figure BDA0002115392090000055
始终为0。当外加电压V＝9V和V＝12V时，由于外加电压足够大，使其能够克服势井/势垒，对氧化锌纳米纤维局部应力加载区左侧的电势
Figure BDA0002115392090000056
产生影响。
图3为本发明主要结果。具体来讲，图3给出了该实施例氧化锌压电半导体纳米纤维在局部应力F＝240nN、F＝260nN、F＝280nN以及F＝300nN作用下的伏安特性曲线。在图中可以看出：当外加电压幅值低于第一个电压临界值时，通过纤维上的电流为0，即无论电压正负，任何一个方向的电流都不能通过纤维；当外加电压幅值高于第一个临界值且小于第二个临界值时，电流可以向一个方向流动，但不能向另一个方向流动；当外加电压幅值高于第二临界值时，电流可以双向流动；且外加应力大小对上述两个电压临界值大小影响显著。因此，局部应力就像一个开关，可以决定氧化锌压电半导体纤维在一个或两个方向上是否导通电流。本发明同时也为机械控制压电半导体纤维的电学行为提供了一种基本思路和手段。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：将一对局部拉伸或压缩应力作用在一根N型氧化锌压电半导体纳米纤维上；
所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维满足压电半导体唯象理论运动方程：
Figure FDA0003390008710000011
其中T是应力张量，f是体力矢量，ρ质量密度，u是机械位移矢量，D是电子位移矢量，q表示基本电荷带电量，p和n是空穴和电子的浓度，N+D和N-A是供体和受体的杂质浓度，Jp和Jn分别是空穴和电子的电流密度，i或j表示第i或j个坐标方向；
当外加电压V的幅值低于第一个电压临界值时，局部应力所产生的势井/势垒将阻止两个方向的电流通过氧化锌压电半导体纳米纤维；当外加电压幅值高于第一个电压临界值且低于电压第二个临界值时，该势井/势垒仅阻止一个方向的电流导通而允许另一个方向的电流通过氧化锌压电半导体纳米纤维；当外加电压幅值高于第二个电压临界值时，两个方向的电流均可通过氧化锌压电半导体纳米纤维。
2.如权利要求1所述的通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维还满足压电半导体唯象理论本构方程：
Figure FDA0003390008710000012
其中S是应变张量，E是电场强度矢量，sE是弹性柔度常数，d是压电常数，εT是介电常数，μp和μn是载流子迁移率，Dp和Dn载流子扩散常数。
3.如权利要求2所述的通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维的应变张量S、机械位移矢量u、电场强度矢量E和电势
Figure FDA0003390008710000013
还满足如下关系式：
Figure FDA0003390008710000021
。
4.如权利要求3所述的通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维在左端x＝-L处的边界条件为：位移u(-L)＝0，电子浓度n＝1021，电势
Figure FDA0003390008710000023
在右端x＝L处的边界条件为：应力T＝0，电子浓度n＝1021，电势
Figure FDA0003390008710000022
5.如权利要求1所述的通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：局部拉伸或压缩应力的加载区域长度2a大于0且小于或等于N型氧化锌压电半导体纳米纤维总长度2L的五十分之一。
6.如权利要求5所述的通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其特征在于：由于局部应力的施加，N型氧化锌压电半导体纤维在局部加载区域及其附近产生势井/势垒。
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