西南交通大學Nano Letters: 離散化結構ZnO納米棒中理解電勢屏蔽效應

【引言】

ZnO作為一種常見的壓電材料，以其獨特的半導體特性在壓電及壓電電子學器件中倍受關注。對于一維ZnO納米材料，已有相關研究從理論上證實ZnO納米棒陣列中的自由載流子會補償并削弱其壓電勢，造成電勢屏蔽效應，這一效應將極大地限制ZnO這類壓電半導體器件的壓電輸出。因此，在實驗上理解電勢屏蔽效應的物理機制并阻斷這一效應對推動壓電半導體器件的發展至關重要。然而，由于納米棒在尺度上的微小特性，導致難以在實驗上直接測定電勢屏蔽效應，阻礙了對其物理機制的進一步理解和相應抑制手段的提出。

【成果簡介】

針對該問題，近日，西南交通大學楊維清教授團隊采用光刻技術和水熱法在柔性PEN基底上制備了一層圖案化的ZnO納米棒陣列，并借助壓電力顯微鏡在納米尺度上研究了單個ZnO納米棒陣列單元壓電勢的空間分布，結合微尺度下的電勢分布從實驗上揭示了廣泛存在于ZnO這類壓電半導體中由載流子躍遷或隧穿補償而導致的電勢屏蔽效應（設計思路如圖1所示）。同時，結合有限元模擬和ZnO在電極界面處能帶變化分析，闡明了自由載流子對半導體壓電電勢的屏蔽抑制機制，并證明了通過圖案化的結構設計能夠成功抑制電勢屏蔽效應，最終使得器件電壓輸出提升了1.62倍。此外，由于圖案化的結構設計引入了空隙去釋放和容納納米棒在形變下產生的應力和應變，使得薄膜可以在保持結構完整性的前提下承受更大的應力和更多樣化的應變模式，且圖案化薄膜的撓曲模量相對于非圖案化薄膜減少了35.74%，大幅提升了器件的柔韌性。此工作在實驗上測定了半導體壓電材料中的電勢屏蔽效應，并闡明了其物理機制；同時針對抑制屏蔽效應和提升力學柔韌性提出了圖案化的結構設計方案，有助于推動柔性壓電電子器件向更為優異的力電綜合特性發展。相關研究成果以“Understanding the Potential Screening Effect through the Discretely Structured ZnO Nanorods Piezo Array”為題在線發表在國際著名期刊Nano Letters上。楊維清教授和青年教師鄧維禮為論文共同通訊作者，研究生田果為第一作者。

【圖文導讀】

圖1. 圖案化ZnO納米棒陣列中理解電勢屏蔽效應的設計示意圖

圖2. 圖案化ZnO納米棒薄膜的結構及制備示意圖

?(a)PVDF作為阻擋層的圖案化ZnO納米棒壓電器件結構示意圖；(b)圖案化ZnO納米棒器件制備流程示意圖；(c)圖案化ZnO納米棒的表面及截面SEM圖片。

圖3. 電勢屏蔽效應的探測和表征

?(a)壓電力顯微鏡的測試示意圖，放大圖表示測試范圍逐次擴大；(b)電勢屏蔽效應在單個ZnO納米棒陣列單元中不同位置的原理圖；(c)單個ZnO納米棒陣列單元中不同測試面積下壓電電勢的分布；(d)圖c中單個納米棒陣列單元對角線路徑上對應的壓電勢具體數值。

圖4. 電勢屏蔽效應的理論分析及壓電器件的電學性能測試

?(a)應力作用下模擬的不同載流子濃度的ZnO納米棒壓電勢；(b)圖案化和非圖案化結構器件的I-V特性曲線；(c)不同載流子濃度下ZnO納米棒的壓電勢示意圖和對應能帶結構圖，和(i=1, 2, 3)分別代表在施加及不施加應力下的肖特基勢壘高度；(d)2MPa壓力下不同樣品器件的壓電電壓輸出；(e)圖和(f)圖分別是圖案化和非圖案化結構的器件在不同壓力和不同有效作用面積下的輸出電壓和輸出電流。

【小結】

總結而言，該論文提出了一種通過離散化的結構設計并結合壓電力顯微鏡的去理解和阻斷壓電半導體中電勢屏蔽效應的思路。同時，得益于ZnO的電勢屏蔽效應被抑制，離散圖案化結構的器件相比于非圖案化設計的器件壓電電壓輸出提升了1.62倍。此外，由于圖案化ZnO納米棒陣列中有足夠的空間去釋放應力和容納應變，圖案化結構設計的薄膜能夠承受更大的應變和更多的應變模式，薄膜的撓曲模量相比于非圖案化結構減少了35.74%，這賦予了薄膜更好的機械柔韌性(相關測試數據見原文)。這項工作為在實驗上理解壓電半導體的電勢屏蔽效應提供了一個有效的方法，同時也為壓電器件實現更優異的電學性能和力學柔性的兼容設計提出了可行的思路。

論文鏈接：Understanding the Potential Screening Effect through the Discretely Structured ZnO Nanorods Piezo Array (Nano Letters, 2020, DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00793)。

本文由西南交通大學楊維清教授團隊投稿。