一維壓電納米材料的光力電耦合性能.pdf

1、隨著元器件向小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸方向發(fā)展,納米材料獨特、優(yōu)異的物理化學(xué)性能,在微納元器件中將有潛在、廣泛的應(yīng)用。因此,納米材料與納米技術(shù)備受國內(nèi)外科研工作者的廣泛關(guān)注。人們已經(jīng)制備出了多種復(fù)雜納米結(jié)構(gòu),如納米纖維、納米帶、納米線、納米棒和納米環(huán)等,并發(fā)現(xiàn)它們具有各種新奇特性,如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和介電限域效應(yīng)等。本文以一維壓電功能納米材料為研究對象,首先對一維壓電功能納米材料的研究進(jìn)展和應(yīng)用背景進(jìn)行了評述,主

2、要討論了:(1)功能納米材料的各種制備方法。(2)功能納米材料的光、力、電等物理耦合特性。然后按照從材料制備及其性能表征到器件應(yīng)用的研究思路,通過系統(tǒng)的實驗方法研究了一維壓電II-VI族半導(dǎo)體及NBT基功能納米材料的光力電耦合性能,如一維壓電功能納米材料的制備工藝、力學(xué)性能、電學(xué)性能、光硬化(光塑性)效應(yīng)、光伸縮效應(yīng)和壓電效應(yīng)。主要內(nèi)容和結(jié)果有如下五部分:
　　1.采用熱蒸發(fā)方法制備了ZnO和ZnS納米帶。運用納米壓痕儀、原子力顯

3、微鏡(AFM)和光照系統(tǒng)研究了光照下ZnO和ZnS納米帶的光硬化(光塑性)效應(yīng)。此外,還進(jìn)一步探討了ZnO和ZnS納米帶光硬化(光塑性)效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制。研究表明:(a)采用熱蒸發(fā)法能成功制得截面為矩形狀的ZnO和ZnS納米帶,其長度約幾十到幾百微米,具有六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。(b)ZnO納米帶在紫外光和白光照射下光硬化效應(yīng)最高分別可達(dá)45％和348%,而對于ZnS納米帶而言,在紫外光和白光照射下光硬化效應(yīng)最高分別可達(dá)42%和183%,

4、并發(fā)現(xiàn)它們有光塑性效應(yīng)。(c)半導(dǎo)體納米材料的高表體比效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)以及電子應(yīng)變效應(yīng)是導(dǎo)致ZnO和ZnS納米帶產(chǎn)生光硬化效應(yīng)的原因,而在光照下產(chǎn)生的大量電子空穴對使得位錯在移動很短的距離內(nèi)就能收集到足夠多的電子,從而使佩爾斯勢增加,進(jìn)而導(dǎo)致納米帶發(fā)生光塑性效應(yīng)。
　　2.運用納米壓痕儀和光照系統(tǒng),利用納米壓痕儀原位壓入保載實驗,通過在延長的保載時間階段對納米材料施加光場作用,研究了在紫外光照下ZnO和ZnS納米帶的光致伸縮性能。

5、為了佐證光致伸縮實驗,運用AFM和光照系統(tǒng),通過AFM掃描成像方式,研究了ZnO納米帶在紫外光照下的光致伸縮性能。此外,還進(jìn)一步探討了ZnO和ZnS納米帶的光致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制。研究表明:(a)當(dāng)紫外光交替開與關(guān)的時候,ZnO和ZnS納米帶會產(chǎn)生兩類變形,即不可逆壓縮變形和可逆膨脹變形,其變形量最高可達(dá)10nm。(b)運用位錯滑移理論解釋了ZnO和ZnS納米帶的不可逆壓縮變形,運用光電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的疊加效應(yīng)對ZnO

6、和ZnS納米帶的可逆光致伸縮特性進(jìn)行了解釋;(c)可逆光致伸縮實質(zhì)上是一種光能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的特性,筆者基于該特性提出了光彈簧的概念,光彈簧獨特的可逆光致伸縮特性使其在光致傳感器和執(zhí)行器的研制和改良等方面有著潛在的應(yīng)用前景。
　　3.采用靜電紡絲工藝成功制備出了摻雜濃度不同的V-ZnO納米纖維。筆者運用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)和透射電鏡(TEM)對V-ZnO納米纖維的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。采用納米壓痕儀測試

7、了V-ZnO納米纖維的納米力學(xué)性能。利用壓電測試系統(tǒng)研究了V-ZnO納米纖維的壓電性能。研究表明:(a)經(jīng)700℃煅燒后,V-ZnO納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)依然保持較好,纖維直徑約為50-200nm,具有六角纖鋅礦晶體結(jié)構(gòu)。(b)V-ZnO納米纖維的壓電系數(shù)大,壓電性能較好,其壓電性能的大小與其摻釩量的多少有關(guān)。當(dāng)摻釩量范圍為0.015-0.025時,摻釩量越高,其壓電性能越大;而當(dāng)摻釩量范圍為0.025-0.03時,其壓電性能隨摻釩量的增多而

8、下降。這說明摻釩量為0.025時,V-ZnO納米纖維的壓電性能最好,其有效壓電系數(shù)最高可達(dá)121pm/V。(c)V-ZnO納米纖維約簡楊氏模量和硬度的統(tǒng)計平均值分別為58.7GPa和3.3GPa,與體材料相比較具有明顯的尺寸效應(yīng),其約簡楊氏模量值和硬度值分別下降了47.2%和34.0%,這與納米材料的高表體比特性有關(guān)。此外,V-ZnO納米纖維的約簡楊氏模量和硬度的大小都與壓痕深淺有關(guān),這是由應(yīng)變梯度效應(yīng)所導(dǎo)致的。
　　4.采用靜電

9、紡絲法成功制備出了(Na0.5Bi0.5)0.94TiO3-Ba0.06TiO3(NBT-BT)和(Na0.82K0.18)0.5Bi0.5TiO3(NKBT)納米纖維。運用SEM、XRD、TEM和能譜儀對制備出的NKBT和NBT-BT納米纖維的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)和元素組成進(jìn)行了表征。采用壓電測試系統(tǒng)對它們的壓電性能進(jìn)行了表征,獲得了納米纖維的有效壓電系數(shù)。利用納米壓痕儀測試了它們的力學(xué)性能,獲得了與納米纖維的深度相關(guān)的楊氏模量和硬度特

10、性。研究表明:(a)經(jīng)溫度為700℃燒結(jié)后,NBT-BT和NKBT納米纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)依然保持較好,纖維直徑約為50-600nm,其晶體結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦相結(jié)構(gòu)。(b) NBT-BT和NKBT納米纖維的有效壓電系數(shù)最高可達(dá)102和96pm/V。NBT-BT和NKBT納米纖維壓電性能較好,優(yōu)于多種無鉛型壓電材料。納米纖維其優(yōu)異的壓電性能歸因于:準(zhǔn)同型相界區(qū)域附近外加電場容易使電疇發(fā)生傾斜和自發(fā)極化方向數(shù)目增加。(c)與其薄膜材料的楊氏模量(158.

11、2GPa)和硬度(7.3GPa)相比,NKBT納米纖維的楊氏模量(107.6GPa)和硬度(4.9GPa)分別下降了31.9%和32.8%,出現(xiàn)明顯的尺寸效應(yīng)。NBT-BT納米纖維相關(guān)力學(xué)性能與之類似。綜上可知,NBT-BT和NKBT納米纖維是一種壓電性能和力學(xué)性能優(yōu)異的一維無鉛型壓電材料,在微機(jī)電系統(tǒng)中有著遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。
　　5.在SiO2/Si基底上,采用光刻、濺射等微電子技術(shù)及工藝成功制作出了叉指狀的Pt電極。將ZnS納米

12、帶均勻分散在叉指電極表面,分別組裝出了基于單根ZnS納米帶的光電導(dǎo)開關(guān)和基于ZnS納米帶薄膜的光電導(dǎo)開關(guān),并使用半導(dǎo)體測試系統(tǒng)獲得了這兩種光電導(dǎo)開關(guān)的伏安特性和功能特性。研究表明:(a)叉指電極厚度為100nm,電極寬度為55μm,電極間距為45μm。組裝在叉指電極上的基于ZnS納米帶的兩種光電導(dǎo)開關(guān)在無光照條件下絕緣性能較好,在紫外光照射下具有較大的光響應(yīng)和光靈敏度。(b)把這兩種開關(guān)接入測試電路后,當(dāng)紫外光打開/關(guān)閉交替變換時,測試