[发明专利]一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法

说明书

本发明将一对局部拉伸压缩应力作用在一根氧化锌压电半导体纳米纤维上，改变局部应力的大小来改变氧化锌压电半导体纳米纤维的伏安特性，实现通过局部应力来调控其电流是否导通以及导通电流大小。表现为：当外加电压幅值低于第一个电压临界值时，无论外加电压正负，任何一个方向的电流都不能通过纤维；当外加电压幅值高于第一个电压临界值且低于电压第二个临界值时，电流向一个方向流动，但不能向另一个方向流动；当外加电压幅值高于第二临界值时，电流双向流动；且局部应力大小对上述两个电压临界值大小的影响显著。局部应力就像一个开关，在给定电压幅值的情况下，决定氧化锌压电半导体纤维在一个或两个方向上是否导通电流以及导通电流的大小。

技术领域：

本发明涉及一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，其属于微纳米器件领域。

背景技术：

随着微电子工艺的不断进步，单个芯片上的器件集成密度越来越高，在能够实现同样功能的前提下，微型化、小型化正逐渐成为硬件的发展趋势。因此微纳米级器件的研究已经成为目前的前沿和热点。

为了满足器件微型化的发展需求，近些年来，许多与纳米相关的科学领域，如纳米医学、纳米生物、纳米电子学等等，都取得了许多重要的成果。微纳米器件在许多重要的科技领域，如通信领域、航空航天以及诸多材料领域都应用广泛。2009年，美国著名的《麻省理工学院技术综述》期刊将基于以压电电子学为理论基础的微纳米器件评选为十大新兴科技之一。近些年来，众多科研工作者所致力的氧化锌纳米结构的研究，已经取得了许多系统性以及开创性的研究成果。这些成果将在传感器、人与硅基技术的交互界面、微机电系统、纳米机器人以及主动式电子柔性器件等领域产生重要的应用。

发明内容：

本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，能够通过改变局部应力的大小控制氧化锌压电半导体纤维上的电流是双向导通、单向导通或者双向均不导通，以及导通电流的大小。

本发明所采用的技术方案有：一种通过局部外加应力调控微纳米级机电开关的方法，将一对局部拉伸或压缩应力作用在一根N型氧化锌压电半导体纳米纤维上；

所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维满足压电半导体唯象理论运动方程：

其中T是应力张量，f是体力矢量，ρ质量密度，u是机械位移矢量，D是电子位移矢量，q表示基本电荷带电量，p和n是空穴和电子的浓度，和是供体和受体的杂质浓度，和分别是空穴和电子的电流密度。

进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维还满足压电半导体唯象理论本构方程：

其中S是应变张量，e是电场矢量，是弹性柔度常数，d_kij是压电常数，是介电常数，和是载流子迁移率，和载流子扩散常数。

进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维的应变张量S、位移矢量u、电场强度E和电势还满足如下关系式：

进一步地，所述N型氧化锌压电半导体纳米纤维在左端x＝-L处的边界条件为：位移u(-L)＝0，电子浓度n＝10²¹，电势在右端x＝L处的边界条件为：应力T＝0，电子浓度n＝10²¹，电势

进一步地，局部拉伸或压缩应力的加载区域的长度2a远小于N型氧化锌压电半导体纤维的总长度2L。

进一步地，当V＝0时，由于局部应力的施加，N型氧化锌压电半导体纤维会在局部加载区域及其附近产生势井/势垒；当局部应力幅值较小时，势井/势垒相对于加载区域的中心呈现近似反对称性，当局部应力幅值增大时，势井/势垒的反对称性被破坏，从而出现两个二个电压临界值。