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土木學院力學系胡元太教授團隊闡明“波-粒拖拽效應在多時間尺度上的交互作用對壓電半導體介質中耦合波傳播過程的影響規律”

發布者:         發布時間:2019-12-17 15:44         瀏覽次數:

1213日,材料科學及物理學領域TOP期刊Nano EnergyIF15.548在線發表了我校土木工程與力學學院力學系胡元太教授課題組題為Effect of interaction among the three time scales on the propagation characteristics of coupled waves in a piezoelectric semiconductor rod(Nano Energy, Vol. 68104345, 2020)”的最新研究成果。胡元太教授為論文通訊作者,其博士生梁禹星為第一作者。

壓電體有絕緣體和半導體之分,當彈性介質同時具備壓電性和半導體特征時,加載/變形/波動會誘導結構內出現極化電場,極化電場可驅動載流子運動或再分布;而載流子的運動或再分布又會反過來對極化電場產生削弱或屏蔽效應。這種變形-電場-載流子之間的多場耦合作用或波-粒拖曳效應(Wave-particle drag)可以用來發展具有無線操縱和無線供能等現代功能的新型微電子器件,在微機電系統、納米機器人、微納傳感、環境監測以及生物反恐等領域具有重要的應用前景。

胡元太教授等從力電耦合與帶電離子的交互作用理論出發,得到了關于小擾動在壓電半導體介質中所誘發的耦合波傳播速度的久期方程,利用偏振矢量方法辨識出兩類耦合波動,分別是廣義聲波以及極化電場和載流子的交互作用波,前者具有明顯的力電耦合效應以及與載流子的交互作用特征,后者卻與彈性變形無關。該項研究結果表明,壓電半導體介質的波動問題有三個重要的時間尺度,它們分別對應于耦合波的振動頻率、傳導頻率(與介質的電弛豫效應相關)以及擴散頻率(與非平衡載流子擴散長度及其光滑效應相關)。當振動頻率遠小于傳導頻率和擴散頻率時,電弛豫效應可將力電耦合誘導的電剛度增量進行屏蔽,這使得廣義聲波以純彈性聲波的波速進行傳播;反之,帶電粒子的漂移及擴散運動無法及時對電剛度增量產生屏蔽效應,從而使得廣義聲波將以壓電聲波的波速進行傳播。與此同時,上述兩種情形下廣義聲波的帶電粒子與力電耦合的交互作用不明顯,故而第一類耦合波的傳播過程不呈現阻尼效應。當振動頻率、傳導頻率和擴散頻率相近時,載流子運動會部分屏蔽廣義聲波誘導的極化電場,并將部分振動能量轉化成電能而耗散掉,所以廣義聲波在傳播過程中會呈現出明顯的色散性和衰減性特征。至于壓電半導體介質的第二類耦合波,因極化電場總會誘導帶電粒子的運動,且帶電粒子運動反過來又會對極化電場本身產生屏蔽效應,所以第二類耦合波動的傳播速度及阻尼特征總是呈現頻率相關性。但是,第二類耦合波的傳播波速比第一類耦合波的變化范圍大,這種特征可能對壓電電子器件內的耦合波波速調控具有重要意義。進一步研究還發現,壓電半導體介質因具有阻尼特征而導致耦合波動僅能在微米及亞微米級范圍內有效傳播;因此,為了保證壓電電子器件能有效地被外部機械加載或力電耦合加載所調控,需要設計壓電電子器件具有較強的變形/壓電勢場與帶電粒子的耦合作用特征。為此,胡元太教授研究小組提出了能量轉化率因子的概念,用于確定壓電電子器件的最佳工作頻率范圍。以上這些研究結果,對于彈性波理論的拓寬和深入發展具有重要的理論意義,并且對新型壓電電子器件的研究、開發和應用具有較大的促進作用。

該項工作得到國家自然科學基金和湖北省重點實驗室項目的資助。


文章鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285519310523#mmc1

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