Пьезофототроника

Пьезофототронный эффект - это трехсторонний эффект связи пьезоэлектрических, полупроводниковых и фотонных свойств в нецентрально-симметричных полупроводниковых материалах с использованием пьезоэлектрического потенциала (пьезопотенциала), который создается путем приложения деформации к полупроводнику с пьезоэлектричеством для управления генерацией носителей заряда. , транспорт, разделение и/или рекомбинация на переходе металл-полупроводник или p-n-переходе для улучшения характеристик оптоэлектронных устройств, таких как фотодетекторы , ^[1] солнечный элемент ^[2] и светодиод . ^[3] Профессор Чжун Линь Ван из Технологического института Джорджии предложил фундаментальный принцип этого эффекта в 2010 году. ^[4]^[5]

Механизм

Зонные диаграммы энергии для pn-перехода (а) при отсутствии пьезозарядов и (б, в) при наличии положительных и отрицательных пьезозарядов на переходе соответственно. Красные сплошные линии — зонные диаграммы с учетом пьезопотенциала. Дырки задерживаются на границе раздела благодаря измененной энергетической зоне пьезопотенциала, что повышает эффективность электрон-дырочной рекомбинации.

Схематическая диаграмма, показывающая трехстороннюю связь между пьезоэлектричеством, фотовозбуждением и полупроводниковыми свойствами.

Когда полупроводник p-типа и полупроводник n-типа образуют переход, дырки на стороне p-типа и электроны на стороне n-типа имеют тенденцию перераспределяться вокруг области интерфейса, чтобы уравновесить локальное электрическое поле , что приводит к заряда слой обеднения . Диффузия и рекомбинация электронов и дырок в области перехода тесно связаны с оптоэлектронными свойствами устройства, на которые большое влияние оказывает локальное распределение электрического поля. Существование пьезозарядов на границе раздела приводит к трем эффектам: сдвигу локальной электронной зонной структуры из-за введенного локального потенциала, наклону электронной зонной структуры над областью перехода для поляризации, существующей в пьезоэлектрическом полупроводнике, и заряда изменение слоя обеднения за счет перераспределения локальных носителей заряда для балансировки локальных пьезозарядов. Положительные пьезоэлектрические заряды на переходе опускают энергетическую зону, а отрицательные пьезоэлектрические заряды заряды поднимают энергетическую зону в области полупроводника n-типа вблизи области перехода. Модификация локальной зоны с помощью пьезопотенциала может быть эффективной для улавливания зарядов, так что скорость электрон-дырочной рекомбинации может быть значительно увеличена, что очень полезно для повышения эффективности светоизлучающего диода . Кроме того, наклонная зона стремится изменить подвижность носителей, движущихся к переходу. Материалы для пьезофототроники должны обладать тремя основными свойствами: пьезоэлектричеством, полупроводниковостью и способностью возбуждения фотонов [5]. Типичными материалами являются структуры вюрцита, такие как ZnO , GaN и InN . трехсторонняя связь пьезоэлектричества, фотовозбуждения и полупроводниковых свойств, лежащая в основе пьезотроники (связь пьезоэлектричество-полупроводник), пьезофотоники (связь пьезоэлектричество-фотонное возбуждение), оптоэлектроники и пьезофототроники пьезоэлектричество-полупроводник-фотовозбуждение). В основе этой связи лежит пьезопотенциал, создаваемый пьезоэлектрическими материалами.

Экспериментальная реализация

Гетероструктуры Ван-дер-Ваальса на основе графена и дихалькогенидов переходных металлов (ДМД) перспективны для реализации пьезофототронного эффекта. ^[6] Показано, что фотоотклик перехода графен/MoS ₂ можно перестраивать с помощью растягивающего напряжения, проявляющего пьезофототронный эффект в устройствах TMD . ^[6]

Ссылки

^ Ян, Цин; Го, Синь; Ван, Вэньхуэй; Чжан, Ян; Сюй, Шэн; Лиен, Дер Сянь; Ван, Чжун Линь (4 октября 2010 г.). «Повышение чувствительности одиночного микро-/нанопроволочного фотодетектора ZnO за счет пьезофототронного эффекта» (PDF) . АСУ Нано . 4 (10). Американское химическое общество (ACS): 6285–6291. дои : 10.1021/nn1022878 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 20919691 .
^ Ян, Я; Го, Вэньси; Чжан, Ян; Дин, Юн; Ван, Сюэ; Ван, Чжун Линь (9 ноября 2011 г.). «Пьезотронное влияние на выходное напряжение микро-/нанопроволочных солнечных элементов с гетеропереходом P3HT/ZnO» (PDF) . Нано-буквы . 11 (11). Американское химическое общество (ACS): 4812–4817. Бибкод : 2011NanoL..11.4812Y . дои : 10.1021/nl202648p . ISSN 1530-6984 . ПМИД 21961812 .
^ Ян, Цин; Ван, Вэньхуэй; Сюй, Шэн; Ван, Чжун Линь (14 сентября 2011 г.). «Усиление светового излучения диодов на основе микропроводов ZnO за счет пьезофототронного эффекта» (PDF) . Нано-буквы . 11 (9). Американское химическое общество (ACS): 4012–4017. Бибкод : 2011NanoL..11.4012Y . дои : 10.1021/nl202619d . ISSN 1530-6984 . ПМИД 21823605 .
^ Ху, Юфан; Чанг, Яньлин; Фэй, Пэн; Снайдер, Роберт Л.; Ван, Чжун Линь (15 января 2010 г.). «Проектирование характеристик электротранспорта микро/нанопроволочных устройств ZnO путем сочетания пьезоэлектрических эффектов и эффектов фотовозбуждения» (PDF) . АСУ Нано . 4 (2). Американское химическое общество (ACS): 1234–1240. дои : 10.1021/nn901805g . ISSN 1936-0851 . ПМИД 20078071 .
^ Ван, Чжун Линь (2010). «Устройства на основе нанопроводов с пьезопотенциальным управлением: пьезотроника и пьезофототроника» (PDF) . Нано сегодня . 5 (6). Эльзевир Б.В.: 540–552. дои : 10.1016/j.nantod.2010.10.008 . ISSN 1748-0132 .
^ Jump up to: ^а ^б Джавади, Мохаммед; Дарбари, Сара; Абди, Ясер; Гасеми, Фуад (29 мая 2016 г.). «Реализация пьезофототронного устройства на основе восстановленной гетероструктуры оксид графена/MoS2» . Письма об электронных устройствах IEEE . 37 (5): 677–680. дои : 10.1109/LED.2016.2547993 . ISSN 1558-0563 .

[Yang_Guo_Wang_Zhang_pp._6285–6291-1] Ян, Цин; Го, Синь; Ван, Вэньхуэй; Чжан, Ян; Сюй, Шэн; Лиен, Дер Сянь; Ван, Чжун Линь (4 октября 2010 г.). «Повышение чувствительности одиночного микро-/нанопроволочного фотодетектора ZnO за счет пьезофототронного эффекта» (PDF) . АСУ Нано . 4 (10). Американское химическое общество (ACS): 6285–6291. дои : 10.1021/nn1022878 . ISSN 1936-0851 . ПМИД 20919691 .

[Yang_Guo_Zhang_Ding_pp._4812–4817-2] Ян, Я; Го, Вэньси; Чжан, Ян; Дин, Юн; Ван, Сюэ; Ван, Чжун Линь (9 ноября 2011 г.). «Пьезотронное влияние на выходное напряжение микро-/нанопроволочных солнечных элементов с гетеропереходом P3HT/ZnO» (PDF) . Нано-буквы . 11 (11). Американское химическое общество (ACS): 4812–4817. Бибкод : 2011NanoL..11.4812Y . дои : 10.1021/nl202648p . ISSN 1530-6984 . ПМИД 21961812 .

[Yang_Wang_Xu_Wang_pp._4012–4017-3] Ян, Цин; Ван, Вэньхуэй; Сюй, Шэн; Ван, Чжун Линь (14 сентября 2011 г.). «Усиление светового излучения диодов на основе микропроводов ZnO за счет пьезофототронного эффекта» (PDF) . Нано-буквы . 11 (9). Американское химическое общество (ACS): 4012–4017. Бибкод : 2011NanoL..11.4012Y . дои : 10.1021/nl202619d . ISSN 1530-6984 . ПМИД 21823605 .

[Hu_Chang_Fei_Snyder_pp._1234–1240-4] Ху, Юфан; Чанг, Яньлин; Фэй, Пэн; Снайдер, Роберт Л.; Ван, Чжун Линь (15 января 2010 г.). «Проектирование характеристик электротранспорта микро/нанопроволочных устройств ZnO путем сочетания пьезоэлектрических эффектов и эффектов фотовозбуждения» (PDF) . АСУ Нано . 4 (2). Американское химическое общество (ACS): 1234–1240. дои : 10.1021/nn901805g . ISSN 1936-0851 . ПМИД 20078071 .

[Wang_2010_pp._540–552-5] Ван, Чжун Линь (2010). «Устройства на основе нанопроводов с пьезопотенциальным управлением: пьезотроника и пьезофототроника» (PDF) . Нано сегодня . 5 (6). Эльзевир Б.В.: 540–552. дои : 10.1016/j.nantod.2010.10.008 . ISSN 1748-0132 .

[:0-6] Jump up to: ^а ^б Джавади, Мохаммед; Дарбари, Сара; Абди, Ясер; Гасеми, Фуад (29 мая 2016 г.). «Реализация пьезофототронного устройства на основе восстановленной гетероструктуры оксид графена/MoS2» . Письма об электронных устройствах IEEE . 37 (5): 677–680. дои : 10.1109/LED.2016.2547993 . ISSN 1558-0563 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]