压电半导体结构中的波粒非线性耦合作用研究

An appropriate nonlinear dynamic model on the nonlinear couplings between electromechanical quantities and charge carriers in piezoelectric semiconductor composite structures will be established in the project. Based on the obtained governing equations, an in-depth analysis will be conducted on the interaction laws of elastic waves and charge carriers transfer in the corresponding three time scales.The affect characteristics of internal self-built electric field and initial stress/strain fields usually existed in piezoelectric semiconductor composite structures on the wave-particle dragging process will be elucidated in detailed. Then,thermal effect will be introduced to investigate the influence of temperature increase in piezoelectric semiconductor structures on device performances. In the same time, the project will study the effects of surface configurations and interface features of some typical piezoelectric semiconductor structures/units on elastic wave propagation and clarify the action mechanism of them on charge transport process. Finally, a lot of experiments on plane waves and surface waves propagating in piezoelectric semiconductor structures/units will be carried out to verify the theoretical results..The study of this project is on the key issues in the development of modern piezoelectric semiconductor structures/devices. Such study will promote the further cross-cutting and merging of mechanics with materials, semiconductor technology, machinery manufacturing, chemistry, control engineering and other disciplines. It possesses very important theoretical significance on the broadening and in-depth development of elastic wave theory. In the same time, such study will also produce tremendous stimulative effect on the research, application and development of new piezoelectric electronic device and piezoelectric optoelectronic devices.

建立压电半导体复合结构中力-电-载流子的非线性耦合动力学模型，深入分析弹性波传播与载流子运动在三个时间尺度上的耦合作用规律，阐明半导体结构内部自建电场及初始应力应变场等对波-粒拖曳过程的作用特征。引入热效应并分析其对压电半导体声电效应的影响。研究典型压电半导体结构和单元中的表面特征和界面特征对弹性波传播的影响规律及对电荷输运过程的作用机理。最后，开展压电半导体结构和单元的平面波及表面波实验分析并与理论结果比较，验证理论结果。.本项目所研究的是现代压电半导体结构和器件发展过程中所面临的一些关键性问题。开展这样的研究，将会促进力学与材料、半导体、机械制造、化学、控制工程等学科的进一步交叉和融合，对弹性波理论的拓宽和深入发展具有非常重要的理论意义，并且对新型压电电子器件和压电光电器件的研究、开发和应用具有较大的促进作用。

建立了压电半导体结构的多区域性多场耦合的非线性动力学模型，深入分析了力电耦合效应对载流子产生/复合过程的影响机理及其对载流子输运过程的作用特征，阐明了弹性波与载流子在三时间尺度上的耦合作用规律，发现了因电场对载流子的驱动作用而导致粒子浓度波动的传播速度与力电声波的传播速度不一致现象，引入了能量转化率因子并分析了它随振动频率的变化规律。建立了压电pn结的全域耦合模型，阐明了势垒区域多物理场耦合作用规律，揭示了界面两边多子电流的相互转化机制，得到了pn结伏-安特征，并与实验结果进行了比较，证明了本项目模型结果比Shockley模型结果与实验结果更吻合。建立了ZnO纳米线弯曲俘能时的控制方程，研究了纳米线力电场与载流子的交互作用规律，发现了半导体特征将导致压电半导体结构在俘能过程中出现漏电现象，由此确定了适当的初始载流子浓度范围，阐明了结构边界电荷和边界电场的分布特征，并由此优化设计了纳米线俘能结构的最佳电极构型。由热平衡状态的零电流条件得到了载流子浓度与电势场的指数关系，藉由k.p模型揭示了机械加载对压电半导体杆件受拉/压应力作用下的能带结构的调控机理，发现加载仅引起加载点附近的局域能带变化规律，由此进一步阐明了载流子再分布对极化电场的屏蔽效应。研究了分段加载的ZnO纳米纤维结构中的势垒分布特征和载流子分布规律，加载构型包括一对自相平衡的集中力、两对自相平衡的集中力以及正弦型分布力等。在这些加载构型自平衡力系的作用下，ZnO纤维内部会产生势阱、势垒以及它们的组合，使得载流子在没有足够初始速度和能量的前提下将很难突破这些势阱和势垒。这些结果对于压电半导体器件及压电电子器件的机械调控作用是非常重要的。.开展这样的研究，将会促进弹性动力学与半导体物理、材料、电磁学、控制工程等学科的进一步交叉和融合，将对压电半导体理论的拓宽和深入发展具有重要意义，并且对新型压电电子器件的研究、开发和应用具有较大的促进作用。