王中林研究组分别在2007年和2010年引入创立了压电电子学和压电光电子学的基本概念。当具有非中心对称性的纤锌矿结构材料（如氧化锌、氮化镓和氮化铟等）受到外加应力时，由于晶体中离子的极化而在材料内产生压电电势（亦称压电势）。由于同时具有压电和半导体特性，所以晶体中产生的压电势可显著影响界面/结处的载流子传输。压电电子学器件是利用压电势作为“门”电压调节/控制接触处或结区载流子传输过程的电子器件。压电光电子学器件则利用了压电势来控制载流子的产生、分离、传输和/或复合过程，从而提高诸如光电探测器、太阳能电池和发光二极管等光电器件的性能。压电电子学和压电光电子学器件提供的功能是对传统硅基互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术的补充。压电电子学和压电光电子学器件与硅基技术的有效集成可望在人机接口、纳米机器人的传感和驱动、智能化与个性化的电子签名、智能微纳机电系统、纳米机器人和能源科学等领域提供*特的应用。《压电电子学与压电光电子学（第2版）》将介绍压电电子学和压电光电子学的基本理论、原理和器件。第2版相较第1版增加了压电电子学量子器件、量子压电基础科学及与压电电子学相关的挠*电效应等内容。

第1章 引言与基础知识
　　？第1章引言与基础知识
　　？摘要
　　从电子学发展路线图来看，未来电子产品的重心放在个性化、便携化、柔性、多传感和自供能等功能多样性的实现上。这些特性与摩尔定律所指向的中央处理器（CPU）速度提升和器件密度增加的方向有机结合，将推动智能系统和自驱动系统的发展。本章*先从能带理论出发介绍压电电子学和压电光电子学的物理原理，然后描绘了压电电子学和压电光电子学的未来影响和应用蓝图。在“后摩尔定律”时代，压电电子学正如生理学中的机械感受所扮演的角色，为人类与CMOS技术交互提供直接的“接口”，这是开发基于力/压力触发/控制的电子器件、传感器、微机电系统（MEMS）、人机交互界面、纳米机器人、触摸板、太阳能电池、光子探测器和发光二极管等革命性技术的范式转变。
　　？1.1以多样性和多功能性超越摩尔定律
　　过去几十年来，摩尔定律作为半导体技术的路线图一直在成功地指引和驱动着信息科技的发展。随着单个硅芯片上的器件密度每十八个月就增加一倍，提升CPU速度以及集成片上系统功能成为信息技术（IT）的主要发展方向。然而随着微电子工艺的不断进步，当器件中的*小线宽尺度趋近10nm时，人们不禁会问，在维持大规模工业化生产的前提下，器件还能做得多小？如此之小的器件尺寸对于器件的稳定性和可靠性有哪些利弊和影响？晶体管的运算速度是否还能作为我们所追求的衡量判断器件性能优异性的唯一驱动性指标？随着晶体管等器件的尺寸趋近物理极限，终究有一天摩尔定律会遇到瓶颈甚至失效，这只是个时间的问题。那么，问题的关键是我们如何才能超越摩尔定律的局限。
　　传感器网络和个性化医疗服务预计将成为近期产业界的主要驱动力。正如我们在当前的电子产品中所观察到的，电子设备正朝着个人电子产品、便携式电子设备和有机柔性电子器件等方向不断发展。人们正在探索具备功能集成化和多样化的电子设备。以手机为例，在手机中添置运算处理速度超快的处理器也许不会成为将来市场的主流推动力。相比之下，消费者更关心产品是否具备更多的功能，比如在手机中集成用于监测血压、体温和血糖浓度的医护传感器，或者是与环境接口的检测气体、紫外线和有害化学物质的传感器。如图1.1中横轴所示，在这种情况下，信息科技将沿着新的方向发展以满足“后摩尔定律”时代对于个人和便携式电子设备的多样性和多功能性的需求。更快的运算速度和更多样化的集成功能之间的有机结合与协调发展，将会是未来电子技术发展的趋势。通过将多功能传感系统和自供能技术紧密结合，电子技术应用正在朝着实现个人化、便携化和基于聚合物（有机柔性电子材料）的电子器件等方向发展，以期在不远的将来实现电子器件系统与人体自身或者人所处的环境直接交互作用的目标。CPU的运算处理速度、存储器的容量和逻辑单元的功能性之间的有机结合与发展，将推动智能化系统和自供能系统的发展和实现，这将成为电子技术发展的重要技术路线。
　　图1.1“后摩尔定律”时代的电子学发展展望。竖轴方向代表延续摩尔定律的电子学发展。随着器件的小型化，器件密度、CPU速度和存储器的容量得到不断提升。横轴代表“后摩尔定律”时代个人和便携式电子设备的多样性和多功能性。未来电子学的发展需要将CPU的速度和器件的功能多样性有机集成。预计通过压电电子学器件将机械激励信号集成到电子系统中将是未来人与CMOS接口技术的重要方面
　　？1.2人机交互界面
　　当人与电子器件通过接口设备连接进行交互时，不可避免地需要考虑人的动作以及由人体的动作产生的相关信号和电子器件间的交互作用。人体产生的这些信号大多是机械运动信号，也有少部分是电信号。过去几十年里对神经系统中电信号传输的研究已经取得显著的进展。在应用硅基场效应晶体管（FET）探测神经元细胞电信号等技术领域也已经获得诸多成果。然而如果没有革新性的设计和方法，现有的硅工艺器件很难直接与机械信号交互作用。传统上*为常见的方法是利用传感器来探测机械应变的变化。传感器中由应变引起的信号变化可以被传统电子设备监测和记录，这是一个被动式的监测过程，并且这些由机械应变产生的信号不能被用来进一步控制硅电子器件。目前柔性电子学的研究重点之一是致力于减少或者消除基底的机械应变对集成于基底上的电子器件性能的影响，因此可以称之为被动式柔性电子学。另一方面，也可以利用基底形变引入的机械应变所产生的电信号来直接控制硅基电子器件。为了实现这类机械应变和电子器件之间的直接交互功能，需要一个“中介传递器件”或“信号转译器”将生物机械运动与硅基电子器件关联起来。压电电子学与压电光电子学的发明和研究就是为了实现上述目的和应用。与传统的柔性电子学器件不同的是，压电电子学与压电光电子学器件是主动式的柔性电子学（active flexible electronics）器件和生物信号（衍生）驱动的电子学（bio-driven electronics）器件，这类器件可以利用机械信号来直接产生数字控制信号。
　　压电电子学器件在未来电子系统中扮演的角色类似于生理学中的机械感受器[1]。机械感受（mechanosensation）是一种感受机械刺激的生理响应机制。触觉、听觉、身体平衡感知和痛觉的生理学基础是将机械刺激转换为神经信号；前者是机械激励，后者是电信号激发。皮肤中的机械应激感受器对触觉的产生具有重要的作用，内耳的微小神经细胞（一种机械应激感受器）则负责听觉和身体的平衡能力。
　　？1.3**代半导体
　　**代半导体是硅和锗。硅是地球上存在的*丰富的元素之一。硅原子有14个电子，*外层价电子占据了3s轨道和两个3p轨道，失去价电子的硅离子由Si4+表示。硅容易形成共价键结构。硅单晶由金刚石结构的立方晶胞组成，其布拉维晶格为面心立方结构。晶格用于描述晶体中原子重复的模式，对于金刚石结构的立方晶体，晶格由每个原胞中的两套正四面体共价原子沿着原胞对角线位移1/4套构而成。金刚石结构的立方晶格可以看作是一对套构的面心立方晶格，沿着空间对角线位移1/4空间对角线长度套构而成（图1.2（a））。
　　室温条件下硅的直接带隙为1.12eV，与其他半导体相比较窄。单晶硅熔点高达1414℃，需要较高能量克服其较强的共价键，才能使其熔化，因此相对稳定。锗单晶具有与硅相同的晶体结构，带隙为0.67eV，可以用作晶体管和其他电子器件中的半导体材料。从历史上看，半导体电子学的**个十年基本基于锗。
　　**代半导体的重要特征之一是基于同种元素的单质，晶体结构为立方金刚石结构，具有较高的晶体对称性。材料的a、b、c方向对称且相同，从而表现出*特的电子特性。因其具有较窄的带隙，**代半导体广泛应用于微纳电子学和光电子学传感领域。
　　图1.2根据晶体对称性的不同对不同代半导体进行分类。（a）金刚石结构的**代半导体；（b）闪锌矿结构的第二代半导体；（c）六方晶系结构的第三代半导体；（d）单斜晶系结构的第四代半导体
　　？1.4第二代半导体
　　砷化镓是*重要的第二代半导体之一，其带隙为1.424eV。砷化镓可用作微波电路、单片微波集成电路、红外发光二极管、激光二极管、太阳能电池和光学窗口等器件。砷化镓也常用作其他Ⅲ-Ⅴ族半导体外延生长的衬底材料，包括砷化铟镓、砷化铝镓等。砷化镓的某些电子特性优于硅，例如砷化镓具有更高的电子饱和漂移速率和电子迁移率，使得基于砷化镓晶体管的工作频率能够超过250GHz。
　　砷化镓是一种Ⅲ-Ⅴ族直接带隙半导体，具有闪锌矿结构（图1.2（b）），其中闪锌矿结构的原子排列与金刚石结构相同，但不同晶格位点的原子类型交替。闪锌矿结构具有四面体配位：每个原子的*近邻居由四个相反类型的原子组成，其位置类似于正四面体的四个顶点。
　　第二代半导体的重要特征之一是具有两种元素，晶体结构为闪锌矿结构，较**代半导体晶体对称性降低。材料的a、b、c方向对称且相同，从而表现出良好的电子和光电特性。由于带隙相对较大，第二代半导体大多广泛应用于纳米电子学、光子学和太阳能电池等领域。
　　？1.5第三代半导体
　　第三代半导体*重要的特征是其晶体结构为六方晶体结构，这是一种非中心对称的六方晶系结构（图1.2（c））。其中典型的代表是纤锌矿结构的氮化镓、氧化锌和α-碳化硅（图1.3）。纤锌矿结构是六方晶体结构的一员，由以ABABAB层状图案堆叠的四面体配位的锌原子和氧原子组成。氧化锌的晶格常数为：a=3.2495？，c=5.2069？，带隙为3.2eV；氮化镓的晶格常数为：a=3.186？，c=5.186？，带隙为3.4eV。它们通常被称为宽带隙半导体材料。
　　图1.3两种*常用的第三代半导体的晶体结构：（a）氧化锌和（b）氮化镓
　　第三代半导体*重要的特征之一是缺乏中心对称性，四面体配位的阳离子和阴离子受到机械应变可表现出压电效应。对极性的方向沿着晶体结构c轴情况，如晶体施加均匀应变，则表面上会出现静态极化电荷。如果应变不均匀，极化电荷则可在晶体内部产生。由闪锌矿型结构材料制成的器件在制造过程中会由于材料不匹配而引入应变。因此，在这些材料中不可避免地会产生压电效应，这将会影响氮化镓和氧化锌中的输运行为和光电特性，从而诞生了两个新的领域—压电电子学和压电光电子学，这是第三代半导体所特有的。
　　第三代半导体因其优异的材料特性，如高耐压、高开关频率、高温和抗辐射等，在消费类电子产品、5G通信系统、电动汽车、光电子和国防应用等新兴技术中引起了广泛关注。此类材料具有宽禁带特性和较强的压电特性，表明可以存在非常显著的压电电子学与压电光电子学效应，这为探索压电性与高频传输、强场调控、二维电子气（2DEG）等相关器件结构中的许多有趣过程之间的耦合提供了理想的研究平台[2]。通过开展这些机制的探索，将提高相关器件性能和效率，对相关器件设计和开发产生深远的影响，例如进一步大幅提升高电子迁移率晶体管（HEMT）[3]和绝缘栅双极晶体管（IGBT）的性能，这对于已经广泛应用的技术至关重要。除了相关的基础研究和潜在的技术应用，预计第三代半导体中压电电子学、压电光电子学和压电光子学效应的研究和开发工作，也将随实际应用的日益增长而大幅推进，并且随着相关材料的制造和集成技术的进一步成熟而得到不断推动[4]。
　　？1.6第四代半导体
　　氧化镓（β-Ga2O3）通常被归类为宽带隙半导体，其带隙为4.7～4.9eV。关于氧化镓（Ⅲ）在激光器、深紫外器件、磷光体、高功率晶体管和发光材料中的应用已有研究。β-Ga2O3具有单斜结构（图1.2（d）），这是一种扭*的立方密堆积排列，镓（Ⅲ）离子占据扭*的四面体和八面体位点，镓原子和氧原子键距分别为1.83？和2.00？。考虑到β-Ga2O3*特的晶体结构以及相对前述结构而言更低的晶体对称性，可被称为第四代半导体。
　　？1.7压电势
　　压电效应是材料在所受应力改变时产生电势差的效应，对于这一效应的认识和研究可以追溯到几个世纪前。*常见的压电材料是具有钙钛矿结构的锆钛酸铅（PZT）（Pb(Zr，Ti)O3），锆钛酸铅被广泛应用于机电传感器、执行器和能量采集设备。然而锆钛酸铅是绝缘体，因此不适合电学器件应用。传统意义上，对于压电材料和压电效应的研究主要局限于陶瓷材料领域。另一方面，纤锌矿结构材料如氧化锌（ZnO）、氮化镓（GaN）、氮化铟（InN）和硫化锌（ZnS），也具有压电性质，但是由于这些材料的压电系数相对较小，因此在压电传感和执行驱动等方面的应用不如锆钛酸铅那么普遍和广泛。由于这些纤锌矿结构半导体材料具有半导体和光激发等性质，所以一直以来对于它们的研究主要集中在电子学和光学领域。
　　硅基CMOS器件是通过外加电场驱动器件中载流子传输这一过程来实现操作的。为了能够利用机械信号来直接调控硅基CMOS器件的工作，我们需要将机械信号转换成电信号，*自然的选择是利用压电效应。为了实现上述目的，我们选择同时具有压电性质和半导体性质的纤锌矿结

目录
第2版前言
第1版前言
第1章 引言与基础知识 1
1.1 以多样性和多功能性超越摩尔定律 1
1.2 人机交互界面 3
1.3 **代半导体 3
1.4 第二代半导体 4
1.5 第三代半导体 4
1.6 第四代半导体 5
1.7 压电势 6
1.8 压电电子学效应 8
1.8.1 压电电子学效应对金属-半导体接触的作用 9
1.8.2 压电电子学效应对p-n结的作用 11
1.9 压电光电子学效应 12
1.10 压电光子学效应 13
1.11 展望 13
参考文献 14
第2章 压电电子学和压电光电子学材料 16
2.1 纤锌矿结构半导体 16
2.1.1 纳米线材料的生长 16
2.1.2 薄膜的生长 22
2.2 钙钛矿 24
2.3 二维材料 25
2.4 总结 26
参考文献 27
第3章 纤锌矿结构半导体材料中的压电势 30
3.1 支配方程 30
3.2 前三阶微扰理论 31
3.3 垂直纳米线的解析解 33
3.4 横向弯*纳米线的压电势 35
3.5 横向弯*纳米线的压电势测量 37
3.6 轴向应变纳米线的压电势 38
3.7 掺杂半导体纳米线的平衡电势 40
3.7.1 理论框架 40
3.7.2 考虑掺杂情况下压电势的计算 42
3.7.3 掺杂浓度的影响 46
3.7.4 载流子类型的影响 49
3.8 压电势对接触局域性质的影响 50
3.8.1 理论分析 50
3.8.2 实验验证 53
3.9 电流传输的底端传输模型 54
参考文献 55
第4章 压电电子学基本理论 57
4.1 压电电子学晶体管与传统场效应晶体管的比较 57
4.2 压电势对金属-半导体接触的影响 59
4.3 压电势对p-n结的影响 60
4.4 压电电子学效应的理论框架 62
4.5 一维简化模型解析解 63
4.5.1 压电p-n结 63
4.5.2 金属-半导体接触 66
4.5.3 金属与纤锌矿结构半导体接触 67
4.6 压电电子学器件的数值模拟 68
4.6.1 压电p-n结 68
4.6.2 压电晶体管 72
4.7 压电效应**性原理理论 74
4.8 压电电子学效应的量子理论 80
4.9 总结 84
参考文献 84
第5章 压电电子学晶体管和阵列 86
5.1 压电电子学应变传感器 86
5.1.1 传感器的制备和测量 87
5.1.2 压电纳米线的应变计算 88
5.1.3 传感器的机电特性 88
5.1.4 热电子发射-扩散理论的数据分析 90
5.1.5 区分压阻效应和压电效应 92
5.1.6 压电电子学效应引起的应变系数剧增 92
5.2 压电二极管 93
5.2.1 压电电子学效应引起的欧姆接触到肖特基接触的转变 94
5.2.2 肖特基势垒变化的定量分析 96
5.2.3 压电电子学二极管工作机制 98
5.2.4 压电电子学机电开关 99
5.3 基于垂直纳米线的压电电子学晶体管 99
5.3.1 反向偏置接触 100
5.3.2 正向偏置接触 101
5.3.3 两端口压电电子学晶体管器件 102
5.4 压电电子学晶体管阵列和芯片 104
5.5 压电电子学高电子迁移率晶体管 105
5.5.1 压电电子学效应调制异质结电子气 105
5.5.2 压电电子学效应增强的高电子迁移率晶体管 109
5.5.3 柔性高电子迁移率晶体管 114
5.5.4 应变控制功率器件和仿神经自动控制 120
5.6 总结 127
参考文献 127
第6章 压电电子学逻辑电路和存储器 132
6.1 应变门控晶体管 133
6.1.1 器件制备 133
6.1.2 基本原理 135
6.2 应变门控反相器 136
6.3 压电电子学逻辑运算 138
6.3.1 与非门和或非门 138
6.3.2 异或门 141
6.4 机电记忆原理 143
6.5 温度对存储器性能的影响 147
6.6 机电存储器中的压电电子学效应 149
6.7 可复写的机电存储器 152
6.8 总结 153
参考文献 154
第7章 压电电子学效应在气体、化学和生物纳米传感器上的应用 157
7.1 肖特基接触传感器的工作原理 158
7.2 肖特基接触生物传感器 158
7.3 肖特基接触气体传感器 160
7.4 压电电子学效应对肖特基接触传感器的影响 164
7.5 压电电子学效应增强的生物/化学传感器 164
7.5.1 压电电子学效应增强的pH传感器 164
7.5.2 压电电子学效应增强的葡萄糖传感器 168
7.5.3 压电电子学效应增强的蛋白质传感器 171
7.5.4 压电电子学效应增强的气体传感器 175
7.5.5 压电电子学效应增强的湿度传感器 178
7.5.6 压电电子学效应增强的温度传感器 182
7.6 总结 184
参考文献 184
第8章 压电电子学效应对自旋输运的影响 186
8.1 压电电子学效应对Rashba自旋轨道耦合的影响 186
8.1.1 基本机制 186
8.1.2 器件制造 187
8.1.3 输出特性 189
8.1.4 压电电子学效应对自旋轨道耦合的影响 192
8.2 压电电子学效应对拓扑绝缘体的影响 195
8.2.1 基本器件结构 195
8.2.2 基础理论 196
8.2.3 计算结果 197
8.3 总结 203
参考文献 204
第9章 压电光电子学理论 208
9.1 压电光电子学效应的理论框架 208
9.2 压电光电子学效应对发光二极管的影响 209
9.2.1 压电发光二极管简化模型的解析解 209
9.2.2 压电p-n结发光二极管器件的数值模拟 213
9.3 压电光电子学效应对光电传感器的影响 214
9.3.1 正偏肖特基接触的电流密度 215
9.3.2 反偏肖特基接触的电流密度 215
9.3.3 光激发模型 215
9.3.4 压电电荷和压电势方程 216
9.3.5 压电光电子学效应对双肖特基接触结构的影响 217
9.3.6 金属-半导体-金属光电探测器的数值模拟 218
9.4 压电光电子学效应对太阳能电池的影响 220
9.4.1 基本方程 221
9.4.2 基于p-n结的压电太阳能电池 222
9.4.3 金属-半导体肖特基接触型太阳能电池 226
9.5 总结 227
参考文献 228
第10章 压电光电子学效应在光电池中的应用 230
10.1 压电光电子学效应在金属-半导体接触光电池中的应用 230
10.2 压电光电子学效应在p-n结太阳能电池中的应用 236
10.3 压电光电子学效应在薄膜太阳能电池中的应用 237
10.4 压电光电子学效应在纳米线太阳能电池中的应用 244
10.4.1 p-n异质结太阳能电池 244
10.4.2 增强型硫化亚铜/硫化镉同轴纳米线太阳能电池 248
10.4.3 压电光电子学效应在柔性氧化锌/钙钛矿太阳能电池中的应用 254
10.4.4 异质结核壳纳米线的太阳能转换效率 257
10.5 压电光电子学效应增强硅太阳能电池性能 261
10.6 基于n型氧化锌/p型硫化亚锡核壳纳米线阵列的柔性太阳能电池 265
10.7 压电光电子学效应在量子阱太阳能电池中的应用 268
10.8 总结 274
参考文献 275
第11章 压电光电子学效应在光电探测器中的应用 280
11.1 测量系统设计 280
11.2 紫外光传感器的表征 282
11.3 压电光电子学效应对紫外光灵敏度的影响 283
11.3.1 实验结果 283
11.3.2 物理模型 285
11.4 压电光电子学效应对可见光探测器灵敏度的影响 288
11.4.1 实验结果及与计算的比较 288
11.4.2 压阻效应的影响 290
11.4.3 串联电阻的影响 291
11.5 压电光电子学效应对红外光灵敏度的影响 291
11.5.1 器件制备和性能 291
11.5.2 压电光电子学效应对器件的影响 295
11.5.3 物理机制 296
11.6 压电光电子学光电探测的评价标准 298
11.7 总结 298
参考文献 299
第12章 压电光电子学效应对发光二极管的影响 301
12.1 发光二极管的制备和测量方法 302
12.2 发光二极管的表征 303
12.3 压电效应对发光二极管效率的影响 304
12.4 发射光谱和激发过程 307
12.4.1 异质结能带图 307
12.4.2 受应变发光二极管的发光光谱 308
12.5 压电光电子学效应对发光二极管的影响 309
12.5.1 基本物理过程 309
12.5.2 应变对异质结能带的影响 310
12.6 应变对光偏振的影响 313
12.6.1 p型GaN薄膜的电致发光特性 316
12.6.2 压电光电子学效应对发光二极管的影响 317
12.6.3 理论模型 318
12.6.4 发光特性分析 319
12.7 量子阱发光二极管的压电光电子学效应 322
12.7.1 时间分辨压电光电子学效应与可见光通信 322
12.7.2 Micro-LED的压电光电子学效应 326
12.7.3 压电光电子学效应增强发光二极管的热管理 331
12.8 LED阵列和压力传感器应用中的压电光电子学效应 338
12.8.1 发光二极管中的压电光电子学效应的分析模拟 338
12.8.2 单一纳米线LED器件的压电光电子学效应 340
12.8.3 LED阵列中的压电光电子学效应 340
12.8.4 压电光电子学LED阵列和压力传感器 343
12.9 总结 344
参考文献 345
第13章 压电光电子学效应对量子点、量子阱和纳米线异质结的影响 352
13.1 压电光电子学效应对量子点的影响 352
13.2 压电光电子学效应对量子阱的影响 357
13.3 压电光电子学效应对纳米线的影响 365
13.4 触觉成像 371
13.4.1 使用压电纳米线LED阵列进行高分辨率压力分布的电致发光成像 371
13.4.2 超灵敏二维氧化锌压电晶体管阵列用于高分辨率触觉成像 377
13.5 绘制单个细胞的收缩力 383
13.6 总结 390
参考文献 390
第14章 压电催化和压电光电子学效应对催化的影响 395
14.1 压电光电子学效应影响光催化的基本原理 395
14.2 压电催化中压电势的产生 397
14.3 压电极化增强光（电）催化反应 399