压电半导体层状结构中多场耦合弹性波传播及调控

Piezoelectric dielectric and piezoelectric semiconductor, as a kind of intelligent material, have an extensive application in MEMS, structure health monitoring and ultrasonic non-destructive test because they can work as either transducer or actuator. In the piezoelectric semiconductor, there are the displacement field, the electric potential field and the concentration field due to the migration, diffusion and combination of the carriers. These physical fields are coupled together and result in the multi-physical coupled elastic waves. The existence of the electric current makes these coupled elastic waves not only dispersive but also damped. The project studies mainly the dispersive and damped characteristics of the coupled elastic wave by numerical and experimental approach. The microstructure effects and the surface/interface effects are taken into consideration to establish the mathematical model of the multiple physical field coupled problem. In addition, the manipulation mechanism of coupled elastic waves by temperature, light illumination and biased electric field are also studied. The studies will lay a theoretic foundation for the intelligent device design.

作为重要的一类智能材料，压电材料和压电半导体材料，既可以作为传感器也可以作为驱动器，因此在微机电系统，结构健康监测，超声无损检测等领域有着广泛的应用。对于压电半导体材料，除了材料性质各向异性外，由于载流子的存在及其迁移、扩散和复合运动，同时存在位移场、电势场和载流子浓度场三种物理场之间的相互作用，从而形成了多物理场耦合的复杂模态弹性波。电流的存在导致这些多物理场耦合波不仅是色散的而且是衰减的。本项目通过物理机制的研究,考虑微结构效应和表界面效应，建立多物理场耦合问题的数学模型，通过数值模拟和实验，研究层状结构中多物理场耦合弹性波传播的色散和衰减规律。在此基础上，进一步研究温度、光照和偏置电场对多物理场耦合弹性波传播的调控机制。其研究结果将对智能材料器件的设计提供理论依据。

压电材料和压电半导体材料，既可以作为传感器也可以作为驱动器，因此在微机电系统，结构健康监测，超声无损检测等领域有着广泛的应用。对于压电半导体材料，由于载流子的存在及其迁移、扩散和复合运动，同时存在位移场、电势场和载流子浓度场三种物理场之间的相互作用，从而形成了多物理场耦合的复杂模态弹性波。本项目通过建立多物理场耦合问题的数学模型，通过理论分析、数值模拟和实验，研究了三明治结构的反射和透射，周期层状结构中耦合弹性波的带隙，基底加覆层结构中表面波的色散和衰减，纳米尺度微梁中弯曲波等。研究内容包括微结构效应和表界面效应对耦合弹性波传播的影响，PN结、异质结和肖特基结对耦合弹性波传播的影响，以及温度、光照和偏置电场对多物理场耦合弹性波传播的调控机制。通过研究获得一些重要发现，多物理场耦合波形成机制不仅在于振幅匹配还存在相位匹配；电流的存在导致这些多物理场耦合波不仅是色散的而且是衰减的；PN结、异质结和肖特基结对体波的反射和透射以及表面波的色散和衰减有显著影响；载流子场对偏置电场、温度和光照敏感可用于调控载流子场进而实现对耦合弹性波的调控。这些研究结果将对智材料器件的设计提供理论依据。