考虑表面效应的压电半导体梁的静态屈曲行为研究

鉴于表面效应和挠曲电效应对纳米材料或结构的力学行为具有显著影响,以纳米尺度压电半导体(PS)梁为研究对象,根据Hamilton变分原理,推导建立了考虑Steigmann-Ogden表面弹性效应和挠曲电效应的Euler-Bernoulli梁理论模型和相应的边界条件.结合电荷守恒方程和线性漂移扩散方程,研究了该梁结构的静态屈曲行为,得到了短路和开路条件下梁结构的等效弹性常数和屈曲临界压力的解析解.详细分析了表面效应、尺寸效应、挠曲电效应以及载流子屏蔽效应等因素对梁结构的等效弹性常数的影响规律和作用机制.该文的研究结果对基于纳米压电半导体梁结构电子器件的设计和应用具有指导作用.

基于PINNs的压电半导体梁的非线性多场耦合力学分析

压电半导体(PS)具有压电性和半导体特性共存耦合的特征,在新型多功能电子/光电子学器件中有广阔应用前景.因此,理论分析压电半导体结构在外载作用下的多场耦合力学响应是十分重要的.然而,描述压电半导体多场耦合力学行为的控制方程中含有非线性的电流方程,属于物理非线性;而且很多半导体器件通常工作在大变形模式下,在力学上属于几何非线性问题.物理非线性和几何非线性给问题的求解带来了挑战.该文针对压电半导体梁结构,基于物理信息神经网络(physics informed neural networks,PINNs),构建了能高效求解其非线性多场耦合力学问题的PINNs方法.通过依次删除网络结构中载流子项和压电项,该方法即可退化到压电结构和纯弹性结构的情况.利用所构建的PINNs,分析了压电半导体梁在均布压力下的多场耦合力学响应.数值结果表明:该文所提出的基于PINNs的模型能有效求解压电半导体、压电以及纯弹性结构非线性多场耦合问题,相对而言,其在求解压电和纯弹性结构的力学响应时具有更高的精度.

功能梯度压电半导体拉-弯梁的屈曲分析

基于三维压电半导体理论和一阶剪切变形理论,考虑材料拉伸、弯曲和剪切耦合变形,建立了功能梯度压电半导体拉-弯梁在轴向压力作用下的屈曲模型。借助有限元分析软件COMSOL对压电半导体拉-弯梁进行稳定性分析,得到了功能梯度压电半导体简支梁的前三阶屈曲临界载荷及各机电场的分布规律。通过数值算例,讨论了梁长高比、初始电子浓度和功能梯度参数等对压电半导体拉-弯梁屈曲临界载荷的影响。

压电半导体板超声导波特性研究

利用解析Legendre多项式方法研究压电半导体板中的超声导波特性,该方法将传统Legendre多项式法计算波动力学问题时存在的大量数值积分转换为解析积分计算,克服了传统方法计算量大、计算耗时的问题。导出不同电学边界下的压电半导体板耦合波动方程,利用解析Legendre多项式法将耦合波动方程转换为以波数为特征值的特征计算问题,得到超声导波频散关系。计算压电半导体板SH波频谱,并与文献结果对比验证所提方法的正确性。研究压电半导体板Lamb波的相速度频散、衰减和应力分布,分析电学边界条件和稳态载流子浓度对相速度频散和衰减的影响及稳态载流子浓度对应力分布的影响。数值结果表明:电学边界条件和稳态载流子浓度对压电半导体板Lamb波相速度和衰减有较为显著的影响,调节稳态载流子浓度可以实现超声导波特性的调控。

GaN压电半导体杆的非线性动态响应研究

利用有限元分析方法,研究了p型GaN压电半导体杆在简谐力作用下的拉伸振动问题,得到了位移、电势和空穴浓度非线性动态响应的数值解,并分析了简谐力对p型GaN压电半导体杆力电耦合性能的调控作用。研究结果表明,简谐力显著地影响压电半导体杆内力电场的分布情况:由于电流密度中的电非线性项,电场和空穴浓度的分布失去对称性或反对称性;力电场在简谐力驱动下表现为周期性变化,但空穴浓度的动态响应表现为明显的非对称波动。

基于传递矩阵与刚度矩阵法的压电半导体介质中的Rayleigh波研究

研究各向异性的压电半导体半空间中Rayleigh波的传播特性,由压电半导体材料的本构方程和控制方程推导出压电半导体介质的状态微分方程.定义传递矩阵和刚度矩阵,推导状态转移变系数矩阵方程,求出半无限大压电半导体空间的传递矩阵与表面刚度矩阵.结合表面边界条件给出压电半导体半空间在不同表面边界条件下的Rayleigh波波速方程,分析了压电半导体半空间中Rayleigh波的传播特性.

带有旋转的压电半导体层状结构中的广义Love波

研究了半空间上带有旋转压电半导体覆盖层状结构中的广义Love波.以弹性半空间材料为基底,带有厚度为h的压电半导体覆盖层.基于压电半导体材料的本构方程以及考虑旋转效应的控制方程,结合边界条件以及广义Love波函数的试探解,推导出考虑旋转效应的压电半导体层状结构中广义Love波的波速方程,从而为压电半导体材料在工程中的应用提供理论基础.

压电半导体的极化处理及性能研究

极化处理是压电半导体材料制备及构件设计中的关键工艺,直接影响着其压电性能。根据夹层极化的方法,研制出一种多样性极化实验装置,解决了压电半导体的极化问题,并对极化后的GaN材料性能进行了系统研究。实验结果表明:(1)极化使GaN材料具备了压电性能,改变了其力电性能参数;(2)极化显著提高了压电半导体的导电能力,改变了其弯曲强度。

一种压电半导体纳米线的热电耦合性能研究

采用有限元分析方法,研究了一种n型压电半导体纳米线(氧化锌)的电热耦合性能,分析了外部温度对氧化锌纳米线内部机械场、电场及电流场分布的影响,并讨论了本构方程线性化对电学参数的影响。研究结果表明,温度对氧化锌纳米线的电场、载流子浓度和电流密度影响很大,采用线性本构和非线性本构求得的电场、电子浓度和电流密度最大相差分别为24%,32%和68%,基于非线性本构分析压电半导体的电学性能会引起很大误差。该研究结果可为压电半导体器件利用温度调控电场、电流提供理论依据。

压电半导体纳米材料在声动力疗法中的应用进展

随着纳米医学的发展,利用纳米材料在外源超声波的刺激下催化产生过量的活性氧物种(Reactive Oxygen Species,ROS)以治疗疾病的方法,被称为声动力疗法(Sonodynamic Therapy,SDT),已引起人们的广泛关注。目前,开发可用于SDT的高效声敏剂用于提高ROS产率,仍然是当前研究和未来临床转化的最大挑战之一。近年来,得益于压电电子学和压电光电子学的兴起,基于压电半导体纳米材料的新型声敏剂在SDT中崭露头角,显示出良好的应用前景。本文从压电半导体的结构出发,介绍了压电半导体纳米材料应用于SDT的机理研究,以及利用压电半导体纳米材料作为声敏剂在声动力学癌症治疗及相关抗菌性能方面所取得的研究进展。最后,本文对该领域存在的问题以及未来的发展趋势进行了展望。

考虑尺度效应的压电半导体纳米纤维力电耦合特性

文章基于挠曲电和应变梯度效应的共同影响,建立了静拉伸下一维压电半导体力电耦合计算模型,数值分析了挠曲电和应变梯度效应对位移、电势、电位移、载流子分布等物理场的影响。结果表明:两种效应对机械位移场没有影响,但对各电相关物理场的分布影响显著;挠曲电效应对压电结构本身的压电性能有抑制作用,而应变梯度效应却增强了其压电特性。本研究为压电类微纳结构的机电特性分析提供了理论指导。

温度对一维压电半导体梁弯曲特性的影响

采用微分算子法,理论研究了一维热压电半导体梁在横向力作用下的静态弯曲问题,得到了位移、电势、载流子、温度以及剪力、弯矩、电位移和电流密度等物理场的解析解,并分析了温度对n型Zn O压电半导体悬臂梁力电热耦合性能的调控作用。研究结果表明:温度能显著影响压电半导体梁的力电场分布,造成电势、载流子、电场和电位移在高温区域发生显著变化,而对于位移、剪力和弯矩影响较小。该温度调控效果主要是由热释电效应产生的极化电荷引起的。

弹性纵波在压电-压电半导体周期杆中的传播

为研究压电半导体周期结构中的弹性波传播特性,本文采用哈密顿变分原理推导出Love型压电半导体杆的基本方程;再在此基础上,针对由压电介质材料和n型压电半导体材料构成的周期杆,分别构建压电介质杆和压电半导体杆的状态方程;通过界面连续条件给出元胞两侧状态向量(轴向位移、电势、轴向应力和轴向电位移)的传递关系,并利用Bloch理论得到压电-压电半导体周期杆的色散方程。数值研究结果表明:初始电子浓度、元胞内压电半导体相的长度比和杆半径对该周期结构的带隙结构有调控作用;当初始电子浓度、杆长比、杆的半径增加时,第一带隙均会下移。该研究结果为基于压电半导体周期结构的器件设计提供了理论指导。

多个局部温度载荷下压电半导体纤维杆的压电电子学行为分析

温度改变产生的极化电势可对压电半导体结构内的物理量进行有效调控,这在穿戴电子器件及与温度相关的半导体电子器件中有重要工程应用价值.本文针对在多个局部均匀温度变化作用下的压电半导体杆结构,采用一维热压电半导体多场耦合方程,基于线性化的漂移-扩散(drift-diffusion)电流模型导出了问题的解析解.以两个局部温度载荷情况为例,数值分析了局部温度改变对压电半导体内位移、电势、电位移、极化强度、载流子分布等物理场的影响.对于温度改变较大的情况,在COMSOL软件的PDE模块中,采用非线性电流模型,进行数值模拟.研究结果表明:由于两个局部区域的温度改变,在半导体杆内形成了局部势垒和势阱,不同的温度改变量和作用区域会产生不同高度/深度的势垒/势阱,为基于压电半导体的热压电电子学器件结构设计提供了理论指导.

GaN压电半导体陶瓷准脆性断裂特性

GaN压电半导体陶瓷应用前景广泛,而断裂强度是结构、器件设计与可靠性评估的关键参数。GaN压电半导体陶瓷构件的断裂强度和使用寿命与其微观组织及内在缺陷密切相关。基于描述准脆性断裂行为的边界效应模型系统研究了极化与退极化GaN压电半导体陶瓷的拉伸强度和断裂韧性。结果表明,GaN试样的拉伸强度和断裂韧性可由正态分布分析中的峰值荷载及团聚体平均粒度确定。极化使GaN压电半导体陶瓷团聚体细化,造成极化试样的断裂强度高于退极化试样,这意味着极化可以用于改善压电半导体陶瓷的断裂强度与寿命。

力电流联合载荷作用下GaN半导体准脆性断裂行为

压电半导体(PSC)结构在工程应用中不可避免地受电流、应力场等共同作用,多场应用环境往往导致其发生复杂的变形、断裂失效等问题。通过引入影响特征裂纹长度的电流参数,建立了压电半导体在力电流联合载荷作用下断裂行为的预测模型。经力电流联合载荷实验验证,该模型预测范围涵盖了所有强度和断裂实验数据点,表明其可以有效地预测压电半导体的准脆性断裂行为。系统研究了电流载荷对压电半导体准脆性断裂行为的影响,为复杂环境下GaN构件的可靠性设计提供了一定的理论及数据支撑。

初应力下压电半导体板中SH波的传播特性

针对无限大n-型压电半导体板,论文理论研究了其在初应力作用下水平剪切波的传播特性.基于压电半导体三维宏观理论和边界条件得到色散关系,结合数值算例,系统分析了边界条件、初始载流子浓度、板的厚度和初应力大小对SH波传播特性的影响.此外,讨论了初应力下两种不同材料中的SH波传播.研究显示:较小的初应力对相速度影响很小可忽略,当初应力达到一定值时波速急剧下降;类似地,初应力足够大时衰减才会逐渐加强.计算结果对压电半导体器件设计具有一定的理论指导意义.

恒磁场作用下压磁/压电半导体复合圆柱壳的耦合响应分析

论文针对由压磁材料和压电半导体材料组成的无限长复合圆柱壳结构,理论研究了其在径向恒磁场作用下结构内的多场耦合力学响应问题.为解析求解方便,文中分别采用单向耦合法和线性全耦合法,导出复合圆柱壳内位移场、电场、载流子等物理量的解析表达式.利用导出的解析表达式,数值分析了磁场大小和半导体层厚度比对结构内电势、电场和载流子的影响.计算结果表明:磁场和厚度比均可用来有效调控半导体层内的电学量,复合圆柱壳结构的厚度比有一个最优区间.

层状压电半导体板的稳态弯曲振动分析

论文针对具有变形-极化-载流子耦合的层状压电半导体复合悬臂结构,理论研究了其自由端在周期荷载作用下的稳态响应问题,导出了板中位移、电场、载流子等物理量的解析表达式,并数值分析了周期荷载的幅值、激励频率和初始载流子浓度对结构宏观力学响应的影响.数值结果表明:在一阶固有频率下,结构内部各物理量响应幅值较大;在高阶固有频率下,各物理量响应出现多个局部峰值区域,其幅值相对减小,载流子会朝局部极值区域"聚集"或"离开"局部极值区域.初始载流子浓度在一定范围内对结构各物理量(如固有频率和电势)的稳态响应有显著的调控作用.

压电式纳米发电机及其混合器件的研究进展

随着化石能源的过度使用和开采,随之而来的能源和环境问题也日益尖锐,而人们对能源的需求不减反增,因此寻求一种新型的绿色可持续能源是非常必要的。环境中的能量十分丰富,因此从环境中收集能量进行转化是十分有前景的方法。压电材料在受到外界作用发生机械变形时,能实现机械能向电能的转化,因此,压电式纳米发电机作为一种潜在的可持续、绿色能源,近年来受到广泛关注。从压电材料的分类入手,结合其制备方法、结构和性能等,对近年来一些研究成果进行了概述,详细评价了不同制备方法、结构对压电式纳米发电机压电性能的影响,并对今后发展进行了展望。