壓電材料與器件的案例
基于第三代半導體材料的壓電電子學和壓電光電子學
【引言】
以氮化鎵，碳化硅和氧化鋅等為代表的第三代半導體材料已經在消費電子，5G通訊，電動汽車，光電通信等諸多新興領域得到廣泛應用。這些寬禁帶材料同時也具有非中心對稱的晶體結構，因而表現出顯著的壓電特性。然而這些材料中壓電極化電荷和半導體特性的耦合過程長期以來被忽略。
針對壓電半導體中極化電荷和半導體特性耦合過程的研究和應用，佐治亞理工學院及中國科學院北京納米能源與系統研究所的王中林院士分別于2007年和2010年首次提出壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理，并建立了壓電電子學和壓電光電子學這兩大新興學科。在壓電電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對金屬-半導體肖特基結或p-n結界面處的載流子傳輸過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電電子學器件（例如晶體管，邏輯電路等）中的門控信號。在壓電光電子電子學效應中，壓電半導體材料受機械作用產生的極化電荷對光生載流子的產生，復合，分離以及輸運的過程進行有效調制，實現了將外部機械信號轉變為壓電光電子學器件（例如光電探測器，發光二極管等）中的門控信號。
壓電電子學和壓電光電子學不僅提供了豐富的基礎研究機會，并在人機交互、微納機電器件、傳感和自驅動系統，人工智能等領域也具有廣闊的應用前景，由此激發了科研人員在這個領域的研究興趣。近年來對于壓電電子學和壓電光電子學的基礎及應用研究取得了快速地發展。多種功能材料中的壓電電子學和壓電光電子學的基本效應得到了系統深入地研究，相關的理論體系得以建立，諸多壓電電子學和壓電光電子學器件也被設計研發。為增進研究者們對壓電電子學與壓電光電子學的理解以推進其實際應用，王中林院士組織領域內研究者在2018年12月的美國材料學會會刊（MRS Bulletin）上撰寫了主題為“壓電電子學和壓電光電子學”的專刊。
展開 ：二維材料儲能器件小型化:從單個器件到智能集成系統
例如，具有大比表面積和良好導電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們在環境條件下化學降解時表面固有的不穩定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導電MOFs也是能量存儲應用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對于基礎研究至關重要，對于真正的工業應用也至關重要，這些應用需要先進的微加工技術，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網印刷等。
為了滿足智能電子設備的需求，智能響應MESDs已經成為功能性電源。然而，由于小型化的結構和復雜的制備過程，只有有限的工作致力于開發具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結構兼容的功能電解質或電極。智能電解質的設計可以進一步考慮各種多響應聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應、電響應和磁響應聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因為可以靈活調節電導率、表面積以及電解質中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對于MESDs微制造技術的發展同樣重要。
作為微電源和儲能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動力。由于智能集成系統的復雜制造過程，迄今為止只有很少的工作得到證實。因此，涉及能量收集、能量存儲和能量消耗單元的創新的自供電集成系統代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統的設計可以為未來智能、獨立和連續運行日常電子產品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統有望在未來造福于醫療保健應用。
展開 ：二維材料儲能器件小型化:從單個器件到智能集成系統
例如，具有大比表面積和良好導電性的2D材料，如硅烯、石墨烯、鍺烯、硼苯、碲烯和磷烯，可能是高性能MESDs的潛在候選材料。然而，由于它們在環境條件下化學降解時表面固有的不穩定性，這些2D材料需要表面功能化或涂層。另一方面，新興的具有堆疊π共軛2D層、可控孔徑和高比表面積的導電MOFs也是能量存儲應用中吸引人的電極材料。更重要的是，高質量2D材料的可伸縮性和可加工性不僅對于基礎研究至關重要，對于真正的工業應用也至關重要，這些應用需要先進的微加工技術，包括噴墨印刷、3D印刷和絲網印刷等。
為了滿足智能電子設備的需求，智能響應MESDs已經成為功能性電源。然而，由于小型化的結構和復雜的制備過程，只有有限的工作致力于開發具有智能功能的MESDs，如自愈合、可壓縮性、電致變色和拉伸性。在這方面，重要的是使用與其工作條件和器件結構兼容的功能電解質或電極。智能電解質的設計可以進一步考慮各種多響應聚合物，如光敏、水溶性、pH敏感、熱響應、電響應和磁響應聚合物。此外，2D活性材料的表面功能化將光線照射到智能電極中，這是因為可以靈活調節電導率、表面積以及電解質中的離子傳輸。因此，智能材料的探索對于MESDs微制造技術的發展同樣重要。
作為微電源和儲能微器件，基于2D材料的MESDs最終旨在為即用型耗能微電子器件提供動力。由于智能集成系統的復雜制造過程，迄今為止只有很少的工作得到證實。因此，涉及能量收集、能量存儲和能量消耗單元的創新的自供電集成系統代表了極具吸引力的研究方向。此外，具有可折疊、可清洗和可生物降解特性的智能集成系統的設計可以為未來智能、獨立和連續運行日常電子產品鋪平道路。最后，這些多功能一體自供電系統有望在未來造福于醫療保健應用。
展開 在 COMSOL 中正確模擬壓電材料
正/逆壓電效應與材料本身的各向異性程度緊密相關，反過來又與壓電材料的晶體結構存在關聯，而各向異性的程度同時又受到極化過程的影響。下面，我們將介紹如何在 COMSOL 軟件中正確地模擬壓電材料的晶體取向和極化方向。
壓電效應簡介
讓我們快速回顧一下壓電效應的概念：正壓電效應指材料受到機械力的作用時，其電極化會發生改變；而逆壓電效應指對材料施加外部電場后，材料會發生變形。
壓電效應源自晶體結構
在 32 種晶體中有 20 種為非中心對稱的晶體結構，而壓電效應往往與此有所關聯。石英等天然材料具有壓電效應，原因就在于其自身的晶體結構。而鋯鈦酸鉛（lead zirconate titanate，簡稱 PZT）等人工材料需經過極化過程才能表現出壓電特性。讓我們來一起探究微觀層面上究竟發生了什么，從而引起了壓電效應。
鈣鈦礦晶胞中偏離中心的鈦離子。
對于鈣鈦礦（perovskite，分子式為 CaTiO3）一類的典型的非中心對稱晶體結構來說，其晶體中每個晶胞的凈電荷均為零。然而，由于晶胞中的鈦離子略微偏離中心，因此產生了電極性，從而使晶胞轉化為有效的電偶極子。當機械應力作用在晶體上時，鈦離子的位置進一步發生變化，進而改變晶體的極化強度，產生正壓電效應；相反，當對晶體施加電場時，鈦離子的位置會發生相對移動，從而導致了晶胞變形，使其變得更接近（或偏離）正方體，這便是逆壓電效應的成因。
為何要對壓電材料進行極化？
在晶胞構成的宏觀晶體結構中，固有偶極子的取向原本是毫無規則的。當機械應力作用在材料上時，為使儲存在偶極子中的總機電能量降至最小，每個偶極子都會改變其初始取向，朝著使能量最小化的方向旋轉。如果所有偶極子的初始取向都雜亂無章（也就是凈極化為零）的話，旋轉行為可能不會顯著改變材料的宏觀凈極化，因此表現出的壓電效應可以忽略。
展開 
comsol中壓電陶瓷仿真學習-材料篇
壓電效應我的理解是：
1、正向效應是力作用到壓電材料上產生電，可以做傳感器使用；
2、反向效應是電場作用到壓電材料上產生應變，可以做驅動器使用。
壓電材料一般都是鋯鈦酸鉛、石英-天然陶瓷、聚偏二氟乙烯等進行制作的。鋯鈦酸鉛被通稱為PZT，是強電介質的鈦酸鉛（PbTiO3）和反強電介質的鋯酸鉛（PbZrO3）的固溶體，成分是〔Pb（Zr-Ti）O3〕。居里點根據兩者的混合比例不同而不同，大約在320℃附近有。在居里點以下沒有轉變點非常穩定。燒結性好，因為能夠充分的極化而且極化也比較的容易，所以能夠制作擁有高壓電常數的壓電陶瓷。通過改變混合比可以控制其機械Q值與相對介電常數等。
壓電材料制作流程：
壓電效應的產生原因是晶體結構自身的各向異性以及極化作用，默認情況下所有壓電材料Z方向極化（X3-方向），并且默認情況下材料與空間的Z方向重合，要改變極化方向，最簡單的做法就是創建一個新坐標系，并指定到壓電材料上。
壓電材料有兩種本構形式，一種是應力-電荷形式，一種是應變-電荷形式。這個根據自己獲得的哪種形式的參數決定，兩者都差不多。
展開 中科院寧波材料所Chemical Society Reviews：有機和雜化電阻開關材料和器件
通過分子設計，有機-無機雜化材料通過可變的配位鍵角度將固有的拉伸性甚至扭轉穩定性與可調的電子結構相結合，這被證明是軟存儲器件的杰出候選材料。
在過去的半個世紀里，基于有機和雜化材料的新興電子和光電子器件迅速發展，極大地改善了全世界人類的日常生活。相比之下，有機和雜化存儲設備的發展至今沒有得到足夠的重視，也沒有形成一套完整的學術體系。然而，這種情況賦予化學家、材料科學家和電氣工程師在即將到來的人工智能時代中使用有機和雜化電子材料的無限可能性。
文獻鏈接：Organic and hybrid resistive switching materials and devices, (Chemical Society Reviews, 2018, DOI: DOI: 10.1039/C8CS00614H)
本文由材料人計算組Z. Chen供稿，材料牛整理編輯。
來源：材料人
展開 Sci.綜述: 富勒烯-二維納米材料復合材料及其在催化、器件中的應用
4．富勒烯/過渡金屬二硫化物復合材料
圖15 C60-MoS2復合材料制備及其電子性能
圖16 C60-MoS2復合材料的光催化機理
作為另一類新型無機2D半導體納米材料，過渡金屬二硫化物(TMDs)由于其有趣的電子、光學和機械性質而引起了廣泛的關注，二硫化鉬(MoS2)是其中最具代表性的材料。單層MoS2具有約1.8eV的直接帶隙以及較高的面內載流子遷移率，在光/電催化、光伏和光電器件領域具有廣泛應用。盡管研究人員對MoS2在光催化制氫領域中的作用進行了廣泛的研究，但即使是單層MoS2，其光催化活性也相對較低，因為只有其邊緣具有高催化活性，而其基面是無活性的。與石墨烯和g-C3N4類似，構筑MoS2與包括富勒烯在內的其他功能材料的復合材料可有效提高MoS2的光催化制氫活性。
5．富勒烯/其他二維材料的復合材料
2D h-BN是一種sp2雜化的寬帶隙半導體(5-6eV)，其具有類似于石墨烯的結構。作為間接帶隙半導體，h-BN具有獨特的電子特性、較低的介電常數、較高的導熱率和化學惰性。雖然h-BN是絕緣體，但其電子特性可以通過摻雜、取代、官能化和復合來容易地調控。鑒于C60具有較窄的帶隙，將h-BN與C60復合是調節h-BN的電子性質的有效策略。
展開 .: 原位表征解密壓電材料電子應變的外在
【引言】
鋯鈦酸鉛(PZT)固溶體具有優異的壓電和介電性能，廣泛應用于傳感器、傳動器和電源等領域。在準同型相界(MPB)附近的復合材料中的PZT的超高電應變已成為非常重要的基本研究課題。為了更好地理解優異壓電性能背后的機理，研究人員對MPB中PZT的長程和短程結構已經進行了廣泛研究，但由于在電場應用下的原位研究相對較少，電子應變的機制仍然存在爭議。通常，場誘導的宏觀應變可以分為兩類貢獻：外在的(例如非180°疇切換、場誘導相變)和本征(例如場致壓電晶格應變)貢獻。盡管在先前的研究中報道了PZT的本征和外在貢獻，但是兩類貢獻在MPB附近組成的函數的趨勢尚不清楚，特別是對于Nb摻雜的復合材料。
【成果簡介】
近日，北卡羅來納州立大學Jacob L. Jones研究員、西安交通大學李盛濤教授(共同通訊作者)等利用高能同步輻射X射線衍射(XRD)結合面積檢測器來測量1% Nb摻雜的PbZrxTi1-xO3(PZT，0.50 ≤ x ≤ 0.56)壓電陶瓷對電場的響應，并在Acta Mater.上發表了題為“Deconvolved intrinsic and extrinsic contributions to electrostrain in high performance, Nb-doped Pb(ZrxTi1-x)O3 piezoceramics (0.50 ≤ x ≤ 0.56)”的研究論文。作者使用涉及基于微機械的計算和配對分布函數(PDF)分析，發現本征和外在貢獻對于實現高電子應變均非常重要。在最接近準同型相界(MPB)的組合物中，本征響應的相對貢獻增加。
展開 武漢理工《Nature》子刊：無鉛壓電陶瓷材料領域新進展！
近日，武漢理工大學張聯盟院士團隊與澳大利亞伍倫貢大學、西安交通大學科研團隊合作，報道了摻雜劑在鈮酸鉀鈉（K0.5Na0.5NbO3，KNN）無鉛壓電陶瓷中對原子尺度結構、宏觀相結構以及性能的影響與貢獻，對新型壓電陶瓷的設計與制備提供了新的思路。該研究成果以“The mechanism for the enhanced piezoelectricity in multi-elements doped (K,Na)NbO3 ceramics”為題，發表在《自然通訊》(Nature communications)上。
論文連接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21202-7
壓電陶瓷材料可以將機械能轉換為電能或者將電能轉換為機械能，因此被廣泛的應用于機電轉換領域。近年來，人們環保意識和健康意識的增強，無鉛壓電材料得到了快速發展。在KNN壓電陶瓷材料中，多元素摻雜是一個重要的研究方向，但其摻雜劑與微觀結構、宏觀結構和性能的關系一直難以建立，限制著新型壓電材料的設計與制備。探索摻雜劑與微觀、宏觀和性能的關系，將有助于加深對壓電陶瓷摻雜改性機制的理解，并進一步設計新型的壓電陶瓷材料。
合作團隊采用雙球差校正電鏡分析技術，對所制備的多元摻雜KNN陶瓷進行原子結構表征，發現摻雜劑誘導的四方相宏觀結構中存在大量的小角度極化區域。通過模擬分析表明，小角度的極化矢量區域比大角度的極化矢量區域更容易在電場下發生變化，并促進整體結構的變化，說明多元摻雜形成的宏觀四方相結構，可以顯著提高材料的壓電性能。
展開 鄭小雨團隊突破晶格局限3D打印壓電智能材料
壓電材料是受到壓力作用時會在相對表兩端面間產生出現電壓的晶體材料。 壓電材料存在于現有各種傳感器當中，在換能器，傳感器，驅動器，聲納，手機 和 機器人等方面有普遍應用。
1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發現，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可實現機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。 打火機的點火裝置，就是由壓電陶瓷受壓力尖端放電產生。
壓電效應的產生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化。 壓電電荷的流動方向取決于并遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列。其電壓輸出特性、壓電系數便局限于壓電材料本身的空間晶格排列。所有壓電傳感器，便需要特定的工藝制成片狀，分別制成陣列，安裝于需要傳感的物體表面。因此，壓電材料的難加工，脆性，重量，設計和操縱的難度是本領域的一大挑戰。
為解決上述上述挑戰，位于美國東部的弗吉尼亞理工學院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 鄭小雨教授及其實驗室博士團隊首次打破這一局限，提出可任意設計可快速打印的壓電三維材料，實現電壓在任意方向可被放大，縮小，及反向的特性。
展開 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
圖3 碳化硅外延片缺陷與襯底片缺陷的關聯性
TSD和TED基本不影響最終的碳化硅器件的性能，而BPD會引發器件性能的退化，因此人們對BPD的關注度比較高。堆垛層錯，胡蘿卜缺陷，三角形缺陷，掉落物等缺陷，屬于殺手級缺陷，一旦出現在器件上，這個器件就會測試失敗，導致良率降低。雙極型器件，例如三極管、IGBT，對BPD的敏感程度更高。
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
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新型材料丨壓電面料 能將衣服變成電子設備，講究！
日本大阪關西大學也在努力，他們開發出第一代壓電面料。
這種類型的面料有一根導電碳纖維紗芯，還有一根壓電聚左旋乳酸纖維紗和一根聚對苯二甲酸乙二醇酯中間鞘；外面還有導電纖維保護罩。
在新衣服的連接和功能方面，這些材料組件起到了關鍵作用。
壓電編織繩會生成電信號，這些信號是受到3D運動的刺激生成的。當用戶穿上新面料制成的衣服，就會有各種各樣的動作，比如彎曲、扭曲。不只如此，同軸線纜面料彼此交織在一起，變成壓電編織繩。它會起到電磁屏蔽作用，提高敏感度。保護屏障相當重要，是必要的，這樣衣服就不會受到設備(比如手機)環境噪音的干擾。清除電磁干擾相當重要，只有清除才能確保衣服使用的技術完美工作。
首席研究員Yoshiro Tajitsu在接受雜志采訪時說：“我們的研究目標是開發功能性服裝，有時還與電子織物有關。”談到技術的未來，他補充說：“我們相信，有了人機設備，用戶可以與外部設備以自然的方式交流，不會因為復雜的運動受到限制或者受到阻礙。”
Yoshiro Tajitsu還說，電子織物必須舒適、時尚。如果想說服用戶購買衣服，這是必要的一步。研究人員用新面料編織了三種傳統日本裝飾結(也就是Kame，Kicchyo和Awaji)，日本人用這些裝飾結制作和服，給婦女穿。
Kame和Kicchyo裝飾結會產生強大的信號，變成電能，足以讓傳感器運作，讓手機拍出自拍照，只需要扭曲衣服的裝飾結就行了。
從時尚角度看，可以將新技術放進健康設備中，比如用來監視病人的關鍵身體信號。
展開 怎么將廠家給的壓電陶瓷材料參數轉變為有限元輸入？
怎么將廠家給的PZT材料參數，變為輸入到有限元的矩陣呢??
Nature Mater. 3D打印壓電材料！任意方向運動轉化為電能
不同于傳統壓電材料，這種新方法使得用戶可以規定和設定電壓響應，使之可在任意方向上被放大、反轉或者抑制。
目前的壓電制造工藝中的一個因素就是：采用天然晶體。在原子水平，原子的方向是固定的。Zheng 的團隊制造了一種替代物，它可以模仿晶體，但是卻允許通過設計改變晶向。鄭小雨表示：我們已經合成了一類高度靈敏的壓電油墨，這些油墨可以通過紫外線雕塑成三維特征。這些油墨含有高濃度的壓電納米晶體。這些晶體與對紫外線敏感的凝膠粘在一起形成一種溶液，像熔融結晶一般的乳白色混合物。然后，我們通過高分辨率的數字光3D打印機來打印。團隊通過可以測量人類發絲直徑的分數的比例尺，演示了這種3D打印的材料。可以定制這種架構，使之更具柔性，并使用它們，例如作為能量采集器件，包覆任意曲面。
打印的柔性納米材料薄片
團隊開發出的3D打印壓電材料的新技術，使它們不再受到形狀或者尺寸的限制。這種材料也可以在激活后，為觸覺感知、沖擊與振動監測、能量采集以及其他應用提供新一代的智能結構與智能材料。在這些領域，完全由壓電材料制成的結構，可以感知沖擊、振動與運動，并監測和定位它們。
論文第一作者崔華晨表示：“傳統意義上，如果你想要監測一個結構的內部力度，你需要將許多單獨的傳感器放置在這個結構之上，每個傳感器都具有許多的線與連接器。在這里，結構本身就是傳感器，它可以實現自我監測。”
來源：材料科學與工程
展開 干貨 | 碳化硅材料技術對器件可靠性的影響
表1 外延片缺陷對最終器件的影響
07
碳化硅材料面臨的兩個挑戰
碳化硅材料推廣面臨的重要挑戰之一是價格過高，襯底價格遠高于硅和藍寶石襯底。目前碳化硅襯底的主流直徑只有4~6英寸，需要更成熟的生長技術來擴大尺寸，以降低價格。
另一方面，碳化硅位錯密度量級處于102-104，遠高于硅、砷化鎵等材料。此外，碳化硅還存在較大的應力，會導致面型參數出現問題。改善碳化硅襯底質量，是提高外延材料質量、器件制備的良率、器件可靠性和壽命的重要途徑。
來源：基本半導體
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