西南交通大学Nano Letters: 离散化结构ZnO纳米棒中理解电势屏蔽效应

【引言】

ZnO作为一种常见的压电材料，以其独特的半导体特性在压电及压电电子学器件中倍受关注。对于一维ZnO纳米材料，已有相关研究从理论上证实ZnO纳米棒阵列中的自由载流子会补偿并削弱其压电势，造成电势屏蔽效应，这一效应将极大地限制ZnO这类压电半导体器件的压电输出。因此，在实验上理解电势屏蔽效应的物理机制并阻断这一效应对推动压电半导体器件的发展至关重要。然而，由于纳米棒在尺度上的微小特性，导致难以在实验上直接测定电势屏蔽效应，阻碍了对其物理机制的进一步理解和相应抑制手段的提出。

【成果简介】

针对该问题，近日，西南交通大学杨维清教授团队采用光刻技术和水热法在柔性PEN基底上制备了一层图案化的ZnO纳米棒阵列，并借助压电力显微镜在纳米尺度上研究了单个ZnO纳米棒阵列单元压电势的空间分布，结合微尺度下的电势分布从实验上揭示了广泛存在于ZnO这类压电半导体中由载流子跃迁或隧穿补偿而导致的电势屏蔽效应（设计思路如图1所示）。同时，结合有限元模拟和ZnO在电极界面处能带变化分析，阐明了自由载流子对半导体压电电势的屏蔽抑制机制，并证明了通过图案化的结构设计能够成功抑制电势屏蔽效应，最终使得器件电压输出提升了1.62倍。此外，由于图案化的结构设计引入了空隙去释放和容纳纳米棒在形变下产生的应力和应变，使得薄膜可以在保持结构完整性的前提下承受更大的应力和更多样化的应变模式，且图案化薄膜的挠曲模量相对于非图案化薄膜减少了35.74%，大幅提升了器件的柔韧性。此工作在实验上测定了半导体压电材料中的电势屏蔽效应，并阐明了其物理机制；同时针对抑制屏蔽效应和提升力学柔韧性提出了图案化的结构设计方案，有助于推动柔性压电电子器件向更为优异的力电综合特性发展。相关研究成果以“Understanding the Potential Screening Effect through the Discretely Structured ZnO Nanorods Piezo Array”为题在线发表在国际著名期刊Nano Letters上。杨维清教授和青年教师邓维礼为论文共同通讯作者，研究生田果为第一作者。

【图文导读】

图1. 图案化ZnO纳米棒阵列中理解电势屏蔽效应的设计示意图

图2. 图案化ZnO纳米棒薄膜的结构及制备示意图

 (a)PVDF作为阻挡层的图案化ZnO纳米棒压电器件结构示意图；(b)图案化ZnO纳米棒器件制备流程示意图；(c)图案化ZnO纳米棒的表面及截面SEM图片。

图3. 电势屏蔽效应的探测和表征

 (a)压电力显微镜的测试示意图，放大图表示测试范围逐次扩大；(b)电势屏蔽效应在单个ZnO纳米棒阵列单元中不同位置的原理图；(c)单个ZnO纳米棒阵列单元中不同测试面积下压电电势的分布；(d)图c中单个纳米棒阵列单元对角线路径上对应的压电势具体数值。

图4. 电势屏蔽效应的理论分析及压电器件的电学性能测试

 (a)应力作用下模拟的不同载流子浓度的ZnO纳米棒压电势；(b)图案化和非图案化结构器件的I-V特性曲线；(c)不同载流子浓度下ZnO纳米棒的压电势示意图和对应能带结构图，和(i=1, 2, 3)分别代表在施加及不施加应力下的肖特基势垒高度；(d)2MPa压力下不同样品器件的压电电压输出；(e)图和(f)图分别是图案化和非图案化结构的器件在不同压力和不同有效作用面积下的输出电压和输出电流。

【小结】

总结而言，该论文提出了一种通过离散化的结构设计并结合压电力显微镜的去理解和阻断压电半导体中电势屏蔽效应的思路。同时，得益于ZnO的电势屏蔽效应被抑制，离散图案化结构的器件相比于非图案化设计的器件压电电压输出提升了1.62倍。此外，由于图案化ZnO纳米棒阵列中有足够的空间去释放应力和容纳应变，图案化结构设计的薄膜能够承受更大的应变和更多的应变模式，薄膜的挠曲模量相比于非图案化结构减少了35.74%，这赋予了薄膜更好的机械柔韧性(相关测试数据见原文)。这项工作为在实验上理解压电半导体的电势屏蔽效应提供了一个有效的方法，同时也为压电器件实现更优异的电学性能和力学柔性的兼容设计提出了可行的思路。

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

本文由西南交通大学杨维清教授团队投稿。