彎曲ZnO納米線力電耦合效應(yīng)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(diǎn)，在光電器件（如紫外激光器、應(yīng)變傳感器、太陽(yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)管等）、生物器件（如生物傳感器）等方面的應(yīng)用非常廣泛而且具有很大的潛力。目前，在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了基于ZnO納米線陣列的壓電式納米發(fā)電機(jī)，首次實(shí)現(xiàn)了納米尺度上機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)化。但是在理論研究方面，其能量轉(zhuǎn)化的物理機(jī)制和調(diào)控機(jī)理還有待進(jìn)一步的闡明。由于納米結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的自平衡應(yīng)變對(duì)體系的一些參量（如帶隙、壓電常數(shù)等）的影響非常顯著，此外，外場(chǎng)作用（如拉伸、壓縮、彎曲等）也將有效的調(diào)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(jié)合連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，不僅建立了尺度和曲率依賴的鍵參數(shù)變化和帶隙漂移的解析理論關(guān)系，而且發(fā)展了尺寸依賴的壓電常數(shù)以及彎曲應(yīng)變依賴的壓電電勢(shì)的理論模型。在此基礎(chǔ)上，首先研究了表面效應(yīng)和彎曲作用

3、對(duì)鍵長(zhǎng)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(shù)、極化強(qiáng)度和不同彎曲程度對(duì)壓電電勢(shì)的影響。
　　取得的主要進(jìn)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(yīng)變下ZnO納米線體系鍵長(zhǎng)的變化機(jī)制，并且探索了曲率半徑與帶隙之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)隨著體系體表比的增大，表面原子對(duì)體系的影響更加顯著。表面原子配位數(shù)缺失，鍵長(zhǎng)會(huì)自發(fā)收縮，單鍵能增強(qiáng)，產(chǎn)生的應(yīng)變對(duì)晶格勢(shì)場(chǎng)產(chǎn)生微擾的作

4、用，進(jìn)而影響體系的哈密頓量，帶隙發(fā)生藍(lán)移;另外彎曲應(yīng)變對(duì)體系的平均鍵長(zhǎng)產(chǎn)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(yīng)變作用下，體系的尺寸越小，自收縮應(yīng)變?cè)酱?，單鍵能越強(qiáng)，體系的帶隙越大。
　　(2)研究了ZnO納米線尺寸依賴的壓電常數(shù)和極化強(qiáng)度以及不同曲率半徑下壓電電勢(shì)的變化。發(fā)現(xiàn)隨著ZnO納米線尺寸的減小，表面原子配位數(shù)的缺失引起鍵長(zhǎng)的自發(fā)收縮，產(chǎn)生的自收縮應(yīng)變使得晶格體積發(fā)生改變的同時(shí)正負(fù)電荷中心分離，導(dǎo)致單位體