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土木学院力学系胡元太教授团队阐明“波-粒拖拽效应在多时间尺度上的交互作用对压电半导体介质中耦合波传播过程的影响规律”

发布者:2008拉斯维加斯3499         发布时间:2019-12-17 15:44         浏览次数:

1213日,材料科学及物理学领域TOP期刊Nano EnergyIF15.548在线发表了我校土木工程与力学学院力学系胡元太教授课题组题为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。胡元太教授为论文通讯作者,其博士生梁禹星为第一作者。

压电体有绝缘体和半导体之分,当弹性介质同时具备压电性和半导体特征时,加载/变形/波动会诱导结构内出现极化电场,极化电场可驱动载流子运动或再分布;而载流子的运动或再分布又会反过来对极化电场产生削弱或屏蔽效应。这种变形-电场-载流子之间的多场耦合作用或波-粒拖曳效应(Wave-particle drag)可以用来发展具有无线操纵和无线供能等现代功能的新型微电子器件,在微机电系统、纳米机器人、微纳传感、环境监测以及生物反恐等领域具有重要的应用前景。

胡元太教授等从力电耦合与带电离子的交互作用理论出发,得到了关于小扰动在压电半导体介质中所诱发的耦合波传播速度的久期方程,利用偏振矢量方法辨识出两类耦合波动,分别是广义声波以及极化电场和载流子的交互作用波,前者具有明显的力电耦合效应以及与载流子的交互作用特征,后者却与弹性变形无关。该项研究结果表明,压电半导体介质的波动问题有三个重要的时间尺度,它们分别对应于耦合波的振动频率传导频率(与介质的电弛豫效应相关)以及扩散频率(与非平衡载流子扩散长度及其光滑效应相关)。当振动频率远小于传导频率和扩散频率时,电弛豫效应可将力电耦合诱导的电刚度增量进行屏蔽,这使得广义声波以纯弹性声波的波速进行传播;反之,带电粒子的漂移及扩散运动无法及时对电刚度增量产生屏蔽效应,从而使得广义声波将以压电声波的波速进行传播。与此同时,上述两种情形下广义声波的带电粒子与力电耦合的交互作用不明显,故而第一类耦合波的传播过程不呈现阻尼效应。当振动频率传导频率和扩散频率相近时,载流子运动会部分屏蔽广义声波诱导的极化电场,并将部分振动能量转化成电能而耗散掉,所以广义声波在传播过程中会呈现出明显的色散性和衰减性特征。至于压电半导体介质的第二类耦合波,因极化电场总会诱导带电粒子的运动,且带电粒子运动反过来又会对极化电场本身产生屏蔽效应,所以第二类耦合波动的传播速度及阻尼特征总是呈现频率相关性。但是,第二类耦合波的传播波速比第一类耦合波的变化范围大,这种特征可能对压电电子器件内的耦合波波速调控具有重要意义。进一步研究还发现,压电半导体介质因具有阻尼特征而导致耦合波动仅能在微米及亚微米级范围内有效传播;因此,为了保证压电电子器件能有效地被外部机械加载或力电耦合加载所调控,需要设计压电电子器件具有较强的变形/压电势场与带电粒子的耦合作用特征。为此,胡元太教授研究小组提出了能量转化率因子的概念,用于确定压电电子器件的最佳工作频率范围。以上这些研究结果,对于弹性波理论的拓宽和深入发展具有重要的理论意义,并且对新型压电电子器件的研究、开发和应用具有较大的促进作用。

该项工作得到国家自然科学基金和湖北省重点实验室项目的资助。


文章链接:

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