低维半导体功能材料力-热-电多场耦合特性的理论研究

The main objective of this proposal is to investigate the mechanical, electrical and thermal behaviors and properties in low-dimensional structures of semiconductor-based functional materials under different physical fields, for example, the stress field, the electirc field and the temperature field. The continuum mechanics, electromagnetic theory and transport theory will be utilized to develop multi-field coupling models, so as to explore the multi-field coupling effects on the physical and mechanical properties, e.g. the elastic modulus, yield strength, electrical ductivity, carrier mobility and the phonon thermmal conductivity, in the semiconductor low-dimensional structures. The intrisic relationship of the macroscopic functional properties, various physical fields and the geometric size of structures at low-dimensional scale will be probed in details. For the mechanical, electrical and thermal performance of semiconductor-based funtional materials with low-deminsonal structures, the surface/interface effects and te quantum size effects will be taken into account, to give an insight into the modification of the material properties and the novel physical phenomena emerging under the applied physcial fields. Through comprehensivly studying on the issue of the multi-field couppling behaviors at low-dimensional scale, the corresponding results obtianed in this proposal will brighten the microscopic mechanisms of the coupling behaviors arsing in the material properties in the semiconductor low-dimensional structures, and shed lights on seeking out effective approaches for the reinforcement of the functional performance of semiconductors, for example, the thermoelectric effects and pizoelectric effects. This proposal will provide the applicable theoretical approaches for the the applications of semiconductor functinal mateirals in the nanoelectronic devices and the nanoelectromechanical systems.

本项目将对半导体功能材料低维结构在多物理场，如应力场、电场、温度场等，作用下的力学、电学、热学行为和特性进行深入系统的研究。采用连续介质力学方法、电磁理论和输运理论建立多场耦合模型，研究半导体低维结构物理力学性能(如弹性模量、屈服应力、声子热导率、载流子迁移率等)的力-热-电多场耦合作用，探讨低维尺度下不同物理场与功能材料宏观性能以及结构尺寸之间的内在关联。针对半导体功能材料在低维尺寸下的力学、电学和热学特性，考虑表面/界面效应和量子效应，研究外加物理场作用下材料性能的改变以及可能出现的新的物理现象。通过对上述低维尺度下关键多物理场耦合问题的研究，本项目的成果将给出半导体功能材料低维结构各种宏观性能耦合行为的微观机理，指出提高半导体材料功能特性如热电效应的各种可能途径，为低维半导体材料在纳机电系统和纳电子器件的应用提供有效的理论基础。

在微/纳米电子器件及系统中，半导体材料的力学、热学以及电学性能是这些应用中至关重要的材料参数。这些材料参数将会受到在具体应用中存在的物理环境场的影响，如应力场、温度场以及电磁场等，从而影响半导体材料的功能特性。本项目针对在不同物理场作用下纳米结构材料的力学、热学及电学性能参数的耦合行为，采用连续弹性理论、输运方程、电磁场理论等进行系统的理论研究。. 首先，采用连续弹性模型分析了GaN纳米薄膜和纳米线材在预应力场作用下的声子特性和声子热导率；同时考虑表面应力/表面能的影响，进一步探讨了在表面应力作用下的GaN纳米薄膜声子特性和热学性能。计算结果表明：预应力和表面应力可以显著改变GaN纳米结构的声子特性，如声子群速度和态密度，从而使得声子热导率表现出应力场耦合效应，并且这些应力场也对声子热导率的尺寸效应和温度依赖性产生影响。. 其次，基于连续弹性模型和表面弹性理论，我们进一步分析了量子限域效应下Si纳米线材在预应力场和表面应力作用下的声子特性、热学和电学性能，以及给出了虑及表面应力效应的纳米结构多晶线材的屈服强度的解析表述。计算结果表明：应力场有效地改变了Si纳米线材的声子特性以及声子-电子相互作用，从而引起Si纳米线材的热导率和载流子迁移率的应力场耦合效应；此外，表面应力只有在纳米线材直径较小的情况下才会对线材的屈服强度产生影响。. 最后，通过求解Boltzmann声子输运方程，结合弹性理论模型，考虑了表面散射效应对量子限域GaN纳米薄膜的热学性能的影响，推导出GaN纳米薄膜的横向和轴向声子热导率的解析表述。计算结果表明：表面散射显著降低了GaN纳米薄膜的声子热导率，同时增强了GaN纳米薄膜声子热导率的尺寸效应。另外，我们还进一步分析了表面电荷或存在外加电场时，表面性能的改变对GaN纳米薄膜声子特性和热学性能的影响,以及探讨了压电效应与GaN纳米薄膜的声子和热学性能之间的定量关系。. 在本项目的资助下，相关研究结果已在著名国际期刊发表SCI论文7篇，其中浙江大学TOP期刊5篇，并培养了硕士生两名。本项目的研究成果，不仅可为解决微纳米电子器件中纳米结构材料的材料性能的多场耦合问题提供一定的理论指导，也可为通过应变/应力工程和表面/界面工程来调控不同纳米结构半导体材料的物理力学性能提供了一种可行而有效的思路。