彎曲ZnO納米線力電耦合效應的鍵弛豫理論研究.pdf

1、氧化鋅(ZnO)具有寬帶隙(3.37 eV)，大的束縛激子能(60 meV)，生物安全相容性等優(yōu)點，在光電器件（如紫外激光器、應變傳感器、太陽能電池、場效應管等）、生物器件（如生物傳感器）等方面的應用非常廣泛而且具有很大的潛力。目前，在實驗上已經成功實現了基于ZnO納米線陣列的壓電式納米發(fā)電機，首次實現了納米尺度上機械能向電能的轉化。但是在理論研究方面，其能量轉化的物理機制和調控機理還有待進一步的闡明。由于納米結構體系具有大的體表比和表

2、面原子配位缺陷特征，使得體系處于能量極小的自平衡態(tài)，由此產生的自平衡應變對體系的一些參量（如帶隙、壓電常數等）的影響非常顯著，此外，外場作用（如拉伸、壓縮、彎曲等）也將有效的調制體系的力電耦合性能。
　　本論文中，我們基于原子鍵弛豫的物理思想并結合連續(xù)介質力學理論，不僅建立了尺度和曲率依賴的鍵參數變化和帶隙漂移的解析理論關系，而且發(fā)展了尺寸依賴的壓電常數以及彎曲應變依賴的壓電電勢的理論模型。在此基礎上，首先研究了表面效應和彎曲作用

3、對鍵長的影響以及不同彎曲程度下ZnO納米線的帶隙漂移;然后還研究了尺寸依賴的壓電常數、極化強度和不同彎曲程度對壓電電勢的影響。
　　取得的主要進展如下:
　　(1)基于原子鍵弛豫思想，從原子層次研究了不同尺寸和彎曲應變下ZnO納米線體系鍵長的變化機制，并且探索了曲率半徑與帶隙之間的關系。研究發(fā)現隨著體系體表比的增大，表面原子對體系的影響更加顯著。表面原子配位數缺失，鍵長會自發(fā)收縮，單鍵能增強，產生的應變對晶格勢場產生微擾的作

4、用，進而影響體系的哈密頓量，帶隙發(fā)生藍移;另外彎曲應變對體系的平均鍵長產生拉伸的效果，單鍵能減弱，體系帶隙發(fā)生紅移;在相同的彎曲應變作用下，體系的尺寸越小，自收縮應變越大，單鍵能越強，體系的帶隙越大。
　　(2)研究了ZnO納米線尺寸依賴的壓電常數和極化強度以及不同曲率半徑下壓電電勢的變化。發(fā)現隨著ZnO納米線尺寸的減小，表面原子配位數的缺失引起鍵長的自發(fā)收縮，產生的自收縮應變使得晶格體積發(fā)生改變的同時正負電荷中心分離，導致單位體