壓電電子學與壓電光電子學（簡體書）

《壓電電子學與壓電光電子學》壓電電子學和壓電光電子學的基本概念和原理由王中林教授研究組分別於2007年和2010年首次提出。在人機界面、主動式感測器、主動式柔性電子學、微型機器人、智慧電子簽名、智慧微納機電系統以及能源技術等領域中，壓電電子學和壓電光電子學具有廣闊的應用前景。本書介紹壓電電子學和壓電光電子學的物理原理、基本理論以及基本器件單元的設計、製造、測試和應用；共分11章，包括壓電電子學和壓電光電子學導論、纖鋅礦結構半導體材料中的壓電勢、壓電電子學基本理論、壓電電子學電晶體、壓電電子學邏輯電路及運算操作、壓電電子學機電記憶體、壓電光電子學理論、壓電光電子學效應在光電池中的應用、壓電光電子學效應在光電探測器中的應用、壓電光電子學效應對發光二極體的影響、壓電光電子學效應在電化學過程和能源存儲中的應用等內容。《壓電電子學與壓電光電子學》是一部系統性強、深入淺出、圖文並茂的專業著作，可供相關領域的科研工作者參考使用，同時也可以用作高年級本科生和研究生專業課程的教科書。

王中林，美國佐治亞理工學院終身校董事講席教授、Hightower終身講席教授，中國科學院北京納米能源與系統研究所（籌）首席科學家：中國科學院外籍院士，歐洲科學院院士：美國物理學會會士（fellow），美國科學促進會（AAAS）會士，美國材料研究學會會士，美國顯微鏡學會會士。榮獲美國顯微鏡學會1999年巴頓獎章，佐治亞理工學院2000年、2005年傑出研究獎，2001年S.T.Li獎（美國），2009年美國陶瓷學會Purdy獎，2011年美國材料研究學會獎章（MRS Medal），2012年美國陶瓷學會愛德華•奧爾頓獎。他發明了納米發電機併發展出其技術路線圖。他關於自驅動納米系統的研究激發了世界學術界和工業界對於微納系統電源問題的廣泛研究，這已成為能源研究與未來感測器網路研究中的特色學科。通過在新型的電子器件和光電子器件中引入壓電勢控制的電荷傳輸過程，他開創了壓電電子學和壓電光電子學學科並引領其發展，這在智慧微機電系統或納機電系統、納米機器人、人與電子器件的交互介面以及感測器等方面具有重要的應用。其著作已被引用超過52000次，論文被引用的h因數（h—index）是110。

《壓電電子學與壓電光電子學》是一部系統性強、深入淺出、圖文并茂的專業著作，可供相關領域的科研工作者參考使用，同時也可以用作高年級本科生和研究生專業課程的教科書。

《納內科學與技術》叢書序
前言
第1章壓電龜子學和壓電光電子學導論
1.1以多樣性和多功能性超越摩爾定律
1.2人機交互介面
1.3壓電電子學和壓電光電子學的物理基礎：壓電勢
1.4壓電電子學領域的創立
1.5壓電電子學效應
1.5.1壓電電子學效應對金屬一半導體接觸的作用
1.5.2壓電電子學效應對p—n結的作用
1.6壓電光電子學效應
1.7適用於壓電電子學研究的一維纖鋅礦納米結構
1.8展望
參考文獻
第2章纖鋅礦結構半導體材料中的壓電勢
2.1支配方程
2.2前三階微擾理論
2.3垂直納米線的解析解
2.4橫向彎曲納米線的壓電勢
2.5橫向彎曲納米線的壓電電勢測量
2.6軸向應變納米線內的壓電勢
2.7摻雜半導體納米線中的平衡電勢
2.7.1理論框架
2.7.2考慮摻雜情況時壓電勢的計算
2.7.3摻雜濃度的影響
2.7.4載流子類型的影響
2.8壓電勢對局域接觸特性的影響
2.8.1理論分析
2.8.2實驗驗證
2.9電流傳輸的底端傳輸模型
參考文獻
第3章壓電電子學基本理論
3.1壓電電子學電晶體與傳統場效應電晶體的比較
3.2壓電勢對金屬—半導體接觸的影響
3.3壓電勢對p—n結的影響
3.4壓電電子學效應的理論框架
3.5一維簡化模型的解析解
3.5.I壓電p—n結
3.5.2金屬—半導體接觸
3.5.3金屬—纖鋅礦結構半導體接觸
3.6壓電電子學器件的數值模擬
3.6.1壓電p—n結
3.6.2壓電電晶體
3.7總結
參考文獻
第4章壓電電子學電晶體
4.1壓電電子學應變感測器
4.1.1感測器的製備和測量
4.1.2壓電納米線內應變的計算
4.1.3感測器的機電特性表徵
4.1.4應用熱電子發射一擴散理論的資料分析
4.1.5壓阻和壓電效應效果的區分
4.1.6壓電電子學效應引起的應變係數劇增
4.2壓電二極體
4.2.1壓電電子學效應引起的歐姆接觸到肖特基接觸的轉變
4.2.2肖特基勢壘變化的定量分析
4.2.3壓電電子學二極體工作機制
4.2.4壓電電子學機電開關
4.3基於垂直納米線的壓電電晶體
4.3.1反向偏置接觸
4.3.2正向偏置接觸
4.3.3兩埠壓電電子學電晶體器件
4.4總結
參考文獻
第5章壓電電子學邏輯電路及運算操作
5.1應變門控電晶體
5.1.1器件製備
5.1.2基本原理
5.2應變門控反相器
5.3壓電電子學邏輯運算
5.3.1反及閘和反或閘（NAND和NOR）
5.3.2異或閘（XOR）
5.4總結
參考文獻
第6章壓電電子學機電記憶體
6.1器件製備
6.2機電記憶體原理
6.3溫度對記憶體性能的影響
6.4機電記憶體中的壓電電子學效應
6.5可複寫的機電記憶體
6.6總結
參考文獻
第7章壓電光電子學理論
7.1壓電光電子學效應的理論框架
7.2壓電光電子學效應對發光二極體的影響
7.2.1壓電發光二極體簡化模型的解析解
7.2.2壓電p—n結髮光二極體器件的數值模擬
7.3壓電光電子學效應對光電感測器的影響
7.3.1正偏肖特基接觸的電流密度
7.3.2反偏肖特基接觸的電流密度
7.3.3光激發模型
7.3.4壓電電荷和壓電勢方程
7.3.5壓電光電子學效應對雙肖特基接觸結構的影響
7.3.6金屬—半導體—金屬光電探測器的數值類比
7.4壓電光電子學效應對太陽能電池的影響
7.4.1基本方程
7.4.2基於p—n結的壓電太陽能電池
7.4.3金屬—半導體肖特基接觸型太陽能電池
7.5總結
參考文獻
第8章壓電光電子學效應在光電池中的應用
8.1金屬一半導體接觸光電池
8.1.1實驗方法
8.1.2基本原理
8.1.3光電池輸出的優化
8.1.4理論模型
8.2 p—n異質結太陽能電池
8.2.1壓電勢對太陽能電池輸出的影響
8.2.2壓電電子學模型
8.3增強型硫化亞銅（Cu2S）／硫化鎘（CdS）同軸納米線太陽能電池
8.3.1光伏器件設計
8.3.2壓電光電子學效應對輸出的影響
8.3.3理論模型
8.4異質結核殼納米線的太陽能轉換效率
8.5總結
參考文獻
第9章壓電光電子學效應在光電探測器中的應用
9.1測量系統設計
9.2紫外光感測器的表徵
9.3壓電光電子學效應對紫外光靈敏度的影響
9.3.1實驗結果
9.3.2物理模型
9.4壓電光電子學效應對可見光探測器靈敏度的影響
9.4.1實驗結果及與計算結果的比較
9.4.2壓阻效應的影響
9.4.3串聯電阻的影響
9.5壓電光電子學光電探測的評價標準
9.6總結
參考文獻
第10章壓電光電子學效應對發光二極體的影響
10.1發光二極體的製備和測量方法
10.2發光二極體的表徵
10.3壓電效應對發光二極體效率的影響
10.4壓電極化方向的效應
10.5注入電流與施加應變之間的關係
10.6發光光譜和激發過程
10.6.1異質結能帶圖
10.6.2受應變發光二極體的發光光譜
10.7壓電光電子學效應對發光二極體的影響
10.7.1基本物理過程
10.7.2應變對異質結能帶的影響
10.8應變對光偏振的影響
10.9 P型氮化鎵薄膜的電致發光特性
10.9.1壓電光電子學效應對發光二極體的影響
10.9.2理論模型
10.9.3發光特性分析
10.10總結
參考文獻
第11章壓電光電子學效應在電化學過程和能源存儲中的應用
11.1光電化學過程的基本原理
11.2壓電勢對光電化學過程的影響
11.3光電化學太陽能電池
11.3.1電池設計
11.3.2壓電光電子學效應對光電化學過程的影響
11.4壓電勢對機械能到電化學能量轉化過程的影響
11.4.1 自充電功率源器件的工作原理
11.4.2自充電功率源器件的設計
1i.4.3自充電功率源器件的性能
11.5總結
參考文獻
附錄
附錄1王中林小組2006～2012年間發表的有關納米發電機、壓電電子學和壓電光電子學方面的文章
附錄2縮寫詞

2006年，王中林研究組完成了兩個相互獨立的實驗。第一個實驗是在掃描電子顯微鏡（SEM）中對兩端完全被電極包裹封裝的長氧化鋅線受應力彎曲時的電傳輸性質進行了測量。實驗觀察到隨著彎曲程度增加，氧化鋅線的電導急劇下降。這個現象可以解釋為當氧化鋅線彎曲時在線中產生的壓電勢差可以起到控制載流子傳輸的門極電壓的作用。這類器件被稱為壓電場效應晶體管（PE—FET）。
第二個實驗是用雙探針操作對單根氧化鋅納米線的電傳輸特性進行了測。實驗中納米線被平放在絕緣基底上，一根探針固定住納米線一端，另一根探針則推動納米線的自由端并在納米線彎曲的過程中接觸其拉伸面。鎢探針針尖與納米線之間形成歐姆接觸。當增大納米線的彎曲程度時，氧化鋅納米線的伏安特性從直線型變為具有整流特性的曲線。此現象可以解釋為當氧化鋅納米線受應力時在接觸界面區域產生了正的壓電勢，這個壓電勢作為勢壘起到了單向導通電子流動的作用。這就是壓電二極管（PE—diode）。
壓電場效應晶體管和壓電二極管的工作都是基于納米線中由應變導致的壓電勢。通過壓電勢引起外電路的電子流動是一個能量采集和轉換的過程。壓電勢的存在也可以顯著地改變基于納米線的場效應晶體管（FET）中的電流傳輸特性。為了系統地表述這類系統中壓電與半導體特性的耦合性質，王中林在2006年11月24日引入了納米壓電電子學的概念，并于幾天后在美國波士頓進行的美國材料學會（MRS）秋季會議上對這一概念進行了公開闡釋。隨后王中林在2007年發表的一篇短文中為此領域新創了piezotronics（壓電電子學）這一術語。壓電電子學的基礎就是應用壓電勢來調節和控制納米線中的載流子傳輸性質。自此，壓電電子學的研究和應用取得了大量引人注目的進展，這些將在隨后的章節中詳細闡述。
一個最簡單的納米線場效應晶體管是一根兩端被電極包裹的半導體線。線兩端的電接觸構成器件的源極和漏極，門極電壓既可以通過上門電極加在納米線上，也可以通過器件底部的基底施加。通過在源極和漏極間施加一個驅動電壓VDs，半導體器件中的載流子傳輸過程可以由外界施加的門極門電壓Vc來調節與控制。
另一方面，門極門電壓也可以由產生于晶體中的壓電勢（內電勢）來代替，從而使場效應晶體管中的載流子傳輸過程由器件所受的應力來調節和開關。這種由機械形變動作觸發驅動的器件被稱為壓電電子學器件。