弯曲ZnO纳米线力电耦合效应的键弛豫理论研究

摘要

氧化锌(ZnO)具有宽带隙(3.37 eV)，大的束缚激子能(60 meV)，生物安全相容性等优点，在光电器件（如紫外激光器、应变传感器、太阳能电池、场效应管等）、生物器件（如生物传感器）等方面的应用非常广泛而且具有很大的潜力。目前，在实验上已经成功实现了基于ZnO纳米线阵列的压电式纳米发电机，首次实现了纳米尺度上机械能向电能的转化。但是在理论研究方面，其能量转化的物理机制和调控机理还有待进一步的阐明。由于纳米结构体系具有大的体表比和表面原子配位缺陷特征，使得体系处于能量极小的自平衡态，由此产生的自平衡应变对体系的一些参量（如带隙、压电常数等）的影响非常显著，此外，外场作用（如拉伸、压缩、弯曲等）也将有效的调制体系的力电耦合性能。
　　本论文中，我们基于原子键弛豫的物理思想并结合连续介质力学理论，不仅建立了尺度和曲率依赖的键参数变化和带隙漂移的解析理论关系，而且发展了尺寸依赖的压电常数以及弯曲应变依赖的压电电势的理论模型。在此基础上，首先研究了表面效应和弯曲作用对键长的影响以及不同弯曲程度下ZnO纳米线的带隙漂移;然后还研究了尺寸依赖的压电常数、极化强度和不同弯曲程度对压电电势的影响。
　　取得的主要进展如下:
　　(1)基于原子键弛豫思想，从原子层次研究了不同尺寸和弯曲应变下ZnO纳米线体系键长的变化机制，并且探索了曲率半径与带隙之间的关系。研究发现随着体系体表比的增大，表面原子对体系的影响更加显著。表面原子配位数缺失，键长会自发收缩，单键能增强，产生的应变对晶格势场产生微扰的作用，进而影响体系的哈密顿量，带隙发生蓝移;另外弯曲应变对体系的平均键长产生拉伸的效果，单键能减弱，体系带隙发生红移;在相同的弯曲应变作用下，体系的尺寸越小，自收缩应变越大，单键能越强，体系的带隙越大。
　　(2)研究了ZnO纳米线尺寸依赖的压电常数和极化强度以及不同曲率半径下压电电势的变化。发现随着ZnO纳米线尺寸的减小，表面原子配位数的缺失引起键长的自发收缩，产生的自收缩应变使得晶格体积发生改变的同时正负电荷中心分离，导致单位体积内的极化强度增大，因此压电常数随着纳米体系尺寸的减小而增大;极化强度随着应变的增加呈非线性的增加，当体系处于小应变时，由于应变高阶量对体系的影响可以忽略不计，则体系的极化强度随着应变的增大而线性的增加;体系的极化强度随着弯曲应变的增大而增加，则压电电势随着挠度的增大而增加;另外，对体系长度、直径、曲率半径对压电电势的调制机理做了详细的讨论。

目录

摘要

第1章 导论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．3 本论文研究的目的和思路

2．1 引言

2．2 键弛豫理论

2．3 本章小结

第3章 弯曲ZnO纳米线中带隙的应变调制

3．1 引言

3．2 理论模型

3．3 结果分析

3．3．1 尺寸和弯曲作用对键长的影响

3．3．2 弯曲作用下ZnO纳米线的带隙

3．4 本章小结

第4章 ZnO纳米线压电性能的应变调控

4．1 引言

4．2 理论模型

4．3 结果分析

4．4 本章小结

5．1 研究总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文及获奖情况

致谢

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