通过界面工程调控压电复合材料光响应和应力分布成像的研究

Piezotronic nanodevices are based on electromechanical coupling effect in piezoelectric materials which semiconducting behaviors can be modulated by piezocharges at the Schottky contact or heterojunction/interface, with a wide range of potential applications in strain-controlled electronics, sensing, harvesting energy from the environment and self-powered nanosystems. The low piezoelectric constant and electron screening effect became the bottleneck in developing applications of ZnO-based piezotronic nanodevice due to the inefficient utilization of piezocharges under applied strain. In this research proposal, we plan to solve these problems via an interface engineering strategy and enhance the performance of photodetecting and imaging of pressure distribution respectively. In comparison with previous studies on one-dimensional ZnO ultra-long micro/nanowires, piezoelectric composite thin films are employed in order to improve flexibility of loading stress and further enhance compatibility in Human-Computer Interaction. In current study, the chemical doping is conducted for enhancing the piezocharges generation for piezoelectric composite films under externally applied stress. More importantly, the interface engineering strategy is considered as an efficient way for strengthening the piezocharges separation at the heterojunction/interface. Anticipated results of this work will be helpful for further optimizing the contribution of piezocharges in piezotronics, boosting the performance of flexible optoelectronic nanodevices and offering more valuable knowledge for other piezoelectric semiconducting nanomaterials.

压电电子学器件是基于力电耦合效应通过压电电荷调制压电材料与金属构成肖特基结或压电半导体复合材料异质结界面处的半导体光学、电学性质，在应力控制的电学器件、传感器、获取环境能源和自驱动纳米系统领域都有着广泛的应用前景。由于氧化锌压电常数较低加之其内部的电子屏蔽效应导致应力下产生的压电电荷没有充分被利用，限制了其在压电电子学器件中的进一步应用。本项目拟从界面工程调控的角度出发，增强压电电荷的产生和利用从而提升氧化锌基复合材料薄膜的光响应和应力分布成像性能。不同于以往以氧化锌单根微纳米线作为器件单元，压电复合材料薄膜更有利于对器件灵活地加载外应力进而提升人机交互界面的兼容性。经掺杂后氧化锌内部可产生更多的压电电荷，而界面工程调控重点强化其有效分离。本项目涵盖的研究内容将有助于压电电荷在压电电子学器件中发挥更大的作用，大幅度提升柔性光电子器件的性能以及为其他的压电半导体纳米材料的研究提供借鉴。

面向基础研究和实际应用的需要，压电电子学器件在能源收集、压力传感器、光电探测器、发光二极管、生物传感器、太阳能电池和自驱动纳米系统领域得到了广泛的关注。鉴于n型氧化锌的压电常数较低和自身电子屏蔽效应，直接导致应力下产生的压电电荷无法有效的应用于压电电子学器件。本项目通过界面工程促进压电电荷的分离，并利用压电电荷调控压电半导体复合材料异质结界面处的光电特性，构建和发展高性能氧化锌基复合材料应力调制的光电响应器件和应力分布成像传感器。通过在柔性PET基底上沉积一层铜膜后在碘蒸气氛围内进行气相反应，即可获得高质量的p型碘化亚铜薄膜。构建碘化亚铜和氧化锌复合薄膜对于降低氧化锌一侧的自由电子数量和增加应力作用下压电电荷的分离起到了至关重要的作用。碘化亚铜/氧化锌复合薄膜的光探测性能在外加不同应力和紫外光照的条件下进行了系统测试。当应力变化区间在0至1.00%和光强变化区间在0.13×10-4至6.2×10-4 W/cm2的测试条件下，器件在1.5 V偏压下的参数ΔI，R，R/R0和D*分别呈现了在387到647 µA，37.3到2980，100 %到384 %以及0.09×1013到5.45×1013 Jones范围内的变化。基于实验结果和能带理论分析，界面工程对于氧化锌基压电复合材料光探测性能的提升起到了至关重要的作用。通过施加不同强度的UV光照，也可以计算出不同区域的应力大小，进而实现应力分布成像。本项目的特色之处在于充分利用压电电荷在半导体异质结界面对于势垒高度的调控，有效地提升了器件在应力作用下光响应的灵敏度和应力分布成像性能。基于压电电子学效应，我们还拓展了氧化锌基纳米复合材料在降解有机染料方面的应用。通过合成氧化锌/硫化银复合纳米材料并充分利用应力产生的压电电荷调节异质结界面处的势垒高度从而促进光生载流子分离并实现了高效降解亚甲基蓝。因此，本项目对于发展通过耦合压电和半导体特性的高性能压电电子学器件和其他类型的光电子器件均具有重要参考意义。