一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法与流程

本发明涉及压电半导体纤维俘能性能调节，尤其是涉及一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法。

背景技术：

1、微电子工艺产业的兴盛与发展带来了单个芯片上的集成密度持续攀升，微型化和小型化已然成为硬件领域的主流趋势。在这一技术潮流的推动下，微纳米级器件的研究变得愈发迫切，成为当前科学研究的前沿热点。纳米领域近年来取得了令人瞩目的进展，微纳米器件已经广泛应用于通信、航空航天和多个材料领域。

2、压电半导体材料以其独特性能备受瞩目，特别是在氧化锌材料纳米结构方面的研究，为传感器、人机界面技术、微机电系统、纳米机器人和主动式电子柔性器件等领域带来了系统性和创新性的突破。在这些领域中，压电半导体纤维在纳米级发电机等应用中得到了广泛的应用，弯曲的纳米纤维常见于压电器件，例如纳米发电机和传感器。值得特别提及的是，纳米发电机的创始人王中林团队的研究就是基于弯曲变形的压电半导体一维纤维。可以说，弯曲工作状态下的压电半导体纤维是纳米发电机的基础和核心，但由于纳米发电机及其内部纤维的尺寸较小，且现有的电势能收集方法效率普遍较低。因此，如何提升每根弯曲纤维在纳米发电机中的俘能性能和提高电势能的收集效率已经成为一个极为重要的问题。能够提升压电半导体纤维的俘能性能的创新方法对于设计和制造更高效的纳米发电机等纳米器件具有巨大的应用前景。

技术实现思路

1、本发明提供一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，用以改进纳米发电机中压电半导体纤维的俘能性能，通过变截面的结构设计改变压电半导体纤维内部电势分布情况，提升收集电势能效率。在传统的均匀压电半导体纤维中，当发生弯曲时，只有靠近固定支持端的电势发生明显变化，而其他区域的电势沿轴向维持恒定，且电势绝对值相对较低。本项发明采用了变截面结构设计，以改变压电半导体纤维内部电势的分布。非均匀纤维的电学量分布沿轴向不再均匀，相比于均匀纤维，表现出更灵敏和显著的电学响应，能够产生更高的电势变化。

2、此外，变截面纤维可以通过人为干预来创造电势极值点并操控其位置。这种电势分布可以提高纳米发电机的电响应敏感度，因为存在极值的电场区域更容易捕获电势能量。这种分布有望提高电荷分离度，并将电势能量集中在特定区域，从而增强能量俘获性能。本发明通过设计截面积函数，改变压电半导体纤维轮廓的曲线形状，以控制表面电势极值点的存在性，并且通过参数设置可以人工地调控表面电势极值点的位置，以提高电势能的俘获性能。

3、为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

4、一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，包括：

5、所述压电半导体纤维的一端受到固定支撑，另一端受到垂直于所述压电半导体纤维的剪切力，以构成悬臂梁结构；

6、所述压电半导体纤维满足压电半导体唯象理论运动方程：

7、

8、

9、

10、

11、其中，t为应力张量，ρ为纤维的质量密度，u为位移，d是电位移，q为基本电荷带电量，p和n分别为空穴和电子的浓度，n+d和n-a分别为供体和受体的杂质浓度，和分别为空穴和电子的电流密度。

12、本说明书公开的实施例中，所述压电半导体纤维材料为n型氧化锌，所述压电半导体纤维满足压电半导体唯象理论本构方程：

13、tij＝cijklskl+ekijek,

14、di＝eijej+eijksjk,

15、

16、

17、其中，s为应变张量，cijkl、ekij和eij分别为弹性常数、压电常数和介电常数，和为载流子迁移率，和为载流子扩散常数，e为电场强度。

18、本说明书公开的实施例中，所述压电半导体纤维的应变张量s、位移矢量u、电场强度e和电势满足如下关系式：

19、sij＝(ui,j+uj,i)/2,

20、

21、本说明书公开的实施例中，所述压电半导体纤维的边界条件为：在所述压电半导体纤维左侧的固定支撑端x＝0处，v(0)＝0，ψ(0)＝0，在所述压电半导体纤维右侧的自由端x＝l处，m(l)＝0，q(l)＝f，边界条件中，v表示挠度，ψ表示剪切形变，m表示弯矩，q表示剪力，d3和此前已经介绍过，这里(1)表示阶数为1，而(0)和(l)括号中的参数表示坐标。

22、本说明书公开的实施例中，所述压电半导体纤维的横截面保持为圆形截面，截面积函数为a(x)，并被配置为任意函数。

23、本说明书公开的实施例中，当所述压电半导体纤维的横截面的面积单调减小且呈一阶线性变化时，截面积函数为a(x)＝a0-λ×a0x/l；

24、其中，a0是所述压电半导体纤维最左端截面的大小，λ表示所述压电半导体纤维的锥度，所述压电半导体纤维右端的锐度随着λ的增加而增加；当λ＝0时，纤维的横截面积保持不变；当λ＝1时，右端横截面积为0。

25、本说明书公开的实施例中，当所述压电半导体纤维的横截面的面积先减小后增大且呈二阶变化时，截面积函数a(x)＝a0-κ×a0(xl-x2)/l2；

26、其中，a0是所述压电半导体纤维最左端截面的大小，κ表示中间部分相对于两端的收缩程度；当κ＝0时，所述压电半导体纤维的横截面积保持不变；当κ＝3时，中间横截面积是两端横截面积的四分之一。

27、综上所述，本发明至少具有以下有益效果：

28、本发明的变截面结构设计易于实现，在弯曲作用下的压电半导体纤维中，仅通过截面变化实现对纤维表面电势分布的控制，并且在同等外界条件下能够显著提高单根压电纤维的产生电势能。通过本发明的变截面设计，还可以人为创造并设置电势极值点在纤维的任意位置。本发明对于控制纳米级器件内部电学分布提供了新的方法，对纳米压电半导体器件的设计具有重要意义。

技术特征：

1.一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，所述压电半导体纤维材料为n型氧化锌，所述压电半导体纤维满足压电半导体唯象理论本构方程：

3.根据权利要求2所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，所述压电半导体纤维的应变张量s、位移矢量u、电场强度e和电势满足如下关系式：

4.根据权利要求3所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，所述压电半导体纤维的边界条件为：在所述压电半导体纤维左侧的固定支撑端x＝0处，v(0)＝0，ψ(0)＝0，在所述压电半导体纤维右侧的自由端x＝l处，m(l)＝0，q(l)＝f，边界条件中，v表示挠度，ψ表示剪切形变，m表示弯矩，q表示剪力，这里(1)表示阶数为1，(0)和(l)括号中的参数表示坐标。

5.根据权利要求4所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，所述压电半导体纤维的横截面保持为圆形截面，截面积函数为a(x)，并被配置为任意函数。

6.根据权利要求5所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，当所述压电半导体纤维的横截面的面积单调减小且呈一阶线性变化时，截面积函数为a(x)＝a0-λ×a0x/l；

7.根据权利要求5所述的通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，其特征在于，当所述压电半导体纤维的横截面的面积先减小后增大且呈二阶变化时，截面积函数为a(x)＝a0-κ×a0(xl-x2)/l2；

技术总结
本发明提供了一种通过变截面调节压电半导体纤维俘能性能的方法，包括：所述压电半导体纤维的一端受到固定支撑，另一端受到垂直于所述压电半导体纤维的剪切力，以构成悬臂梁结构；所述压电半导体纤维满足压电半导体唯象理论运动方程。本发明通过变截面的结构设计改变压电半导体纤维内部电势分布情况，提升收集电势能效率，提高电势能的俘获性能。

技术研发人员：钱征华,徐泽霖,钱智,李鹏,朱峰,赵庆国
受保护的技术使用者：苏州仁正智探科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21