压电半导体纳米结构的力学行为及调控机理研究

Piezoelectric semiconductor (PS) nanostructures simultaneously possess piezoelectric and semiconductor properties and have a huge potential application in the field of multi-functional electronic devices. Firstly, the project, taking flexoelectricity into account, establishes three-dimensional equations for small dynamical field superposed on a finite static bias for PS nanostructures based a nonlinear deformation theory of electroelasticity, and then develops systematically simplifying structural theories for PS nanostructures . Secondly, wave propagations and vibration characteristics in PS-rods/beams/films/plates/shells with purely extensional, torsional, flexural and shear deformations and their coupling forms, are studied in depth using the established theory. Then, the project investigates the influence of the biasing field, piezoelectric effect, and boundary conditions on dynamical characteristics of PS structures. Finally, some effective methods of controlling/tuning PS structural dynamical characteristics and the charge-carrier transport are proposed. The project lays a solid theoretical foundation for applications of PS structures in multi-functional devices.

压电半导体纳米结构具有优良的压电性和半导体特性，在新型多功能器件方面有巨大应用前景。本项目拟针对压电半导体纳米结构，基于非线性力电耦合变形理论，考虑挠曲电效应，构建静态有限偏场作用下变形-极化-载流子耦合的偏场理论，系统建立适用于压电半导体纳米结构分析的一维和二维简化结构理论。在此基础上，针对拉伸、扭转、剪切和弯曲等单一及其耦合变形模式，深入研究纳米尺度的压电半导体杆、梁、薄膜、板和壳等典型结构的波动与振动特性；考察偏场、挠曲电性、压电效应和边界条件等对压电半导体结构波动/振动特性和载流子输运性能的影响，探索有效调控压电半导体结构动力学特性和载流子输运性能的主动方法，为新型功能器件的设计和应用提供理论支撑。

压电半导体兼有压电和半导体双重物理属性，在力学上呈现出变形-极化-载流子等多物理场耦合特征。在机械/温度/磁场外载作用下，其内部发生变形-极化-载流子的相互作用，特别是产生的极化电势影响着结构内载流子的输运、产生和复合，显著改变压电半导体结构的电子学和光电子学属性，进而产生新的物理现象——压电电子/光电子学。本项目在力学框架下针对压电半导体结构，基于线性压电理论和半导体物理基本方程，构建了温度-变形-极化-载流子等多场耦合简化结构理论体系，系统研究了压电半导体结构在拉伸、扭转、弯曲等变形模式下的宏观力学（静力学、振动及波动）响应，以及力、初始载流子浓度、几何参数和边界条件对压电电子学效应的影响；提出并证明了利用“乘积属性”构造具有压电半导体复合结构，如利用压电材料和传统半导体材料构造了纯拉伸变形模式的三明治型对称结构和纯弯曲变形模式的反对称型复合结构，在其内部实现了压电电子学效应，所设计的结构具有单一变形模式从而保障了器件工作性能的稳定性；提出了基于磁电耦合机制的非接触式磁控压电电子学技术，构造了层状压电/压磁/半导体多铁性半导体复合结构，理论证明了恒磁场和动态磁场均可有效操控半导体结构的压电电子学行为；提出了利用局部（热和磁场）荷载在单一n或p型半导体中实现局部势垒和势阱的类pn结性质；提出基于应变梯度产生的挠曲电场对半导体电子学行为进行调控的挠曲电子学，基于挠曲电效应实现了硅基肖特基结性能的机械式操控。本项目所建立的简化模型能有效预测变形-极化-载流子耦合压电半导体的力学行为特征，为新型压电半导体多功能器件的设计和开发提供理论支撑，项目研究结果拓宽了连续介质力学的研究范围，完善并推动了多场耦合力学的发展。