TU Darmstadt / ULB / TUprints

Microscopic simulation of the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors

Zhou, Ziqi (2021):
Microscopic simulation of the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00014273,
[Ph.D. Thesis]

[img]
Preview
Text
Dissertation-Ziqi_Zhou.pdf
Available under CC-BY 4.0 International - Creative Commons, Attribution.

Download (5MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Microscopic simulation of the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors
Language: English
Abstract:

Piezoelectric semiconductors have drawn significant attention in recent decades due to their unique physical properties. The coupling of piezoelectric and semiconductive effects allow possibilities to tune the electric potential in the material. Evidently, by mechanical loading, the charge flow of the circuit is adjustable. This effect is named as piezotronics effect and brings possibilities in producing new devices, such as light-emitting diode and new mechanically tuned field-effect transistors. Among all the piezotronic materials, ZnO is regarded as the most prominent one, due to its highest piezoelectric coefficient, high abundance of Zn, and a mature production of nanostructures.

However, the understanding of grain boundary potential barriers of ZnO is insufficient because the physical mechanism for barrier development and its modification by external influence factors are complex. It has been shown that the barrier height can be significantly modulated by mechanically induced piezoelectric charge. Consequently, this makes ZnO-ZnO interfaces advanced piezotronic systems because the conductivity can be controlled by mechanical stress. Using this effect in applications, however, needs the possibility of tailoring the interfaces and an accurate physical description of the piezoelectric impact. For this purpose, reliable models are strongly desired. In order to understand the physical principles of the coupling effect specifically at the double Schottky barrier and making better use of it, a classical phenomenological model has been improved, and a finite element (FE) model has been developed.

An extended phenomenological model is proposed to rationalize the potential barriers of the varistor like boundaries for piezoelectric semiconductors. Comparing to other phenomenological models, the model developed in this work self-consistently takes the internal electric field effect near the grain boundary into account. The effect is originated from the double Schottky barrier at a grain boundary, which gives rise to a strong internal electric field in the depletion layer. Due to the inverse piezoelectric effect, this electric field leads to mechanical strain and, consequently, piezoelectric charge at a grain boundary, and more importantly, an additional space charge associated with the polarization inhomogeneity. The piezoelectric charges, in return, impacts the barrier height. Results show that the piezoelectric charge induced by the internal field tends to adjust the grain boundary charge and lowers the barrier height. Moreover, the barrier height becomes less sensitive to mechanical stress and applied voltage if the influence of the internal field is taken into account. The extended model with the inverse piezoelectric effect of the internal field allows elucidating their piezotronic response further. The work improves the barrier height theory of piezoelectric ceramics and enriches the study of the piezoelectrics and other junction devices.

Furthermore, an electromechanically coupled finite element model is developed in this work. Due to the full coupling effect, the model requires few prior assumptions on the charge distribution, enables multi-dimensional simulations of multigrain, and allows access to quantities such as the charge, energy, and electric field distributions. Moreover, the FE model inherently includes inverse piezoelectric and anisotropy effect, which are shown to have a significant impact on barrier height. Additionally, it is illustrated that this model can be used for advanced 3D microstructure simulations taking the complexity of the interface properties into account.

Fully coupled electromechanical finite element simulations have also been carried out to study the varistor behaviour under bias voltage and mechanical loading. Thereby the quasi-Fermi energies are taken into account, bringing more physical foundations into the model. Comparing to the phenomenological model, the FE model demonstrates that the breakdown is highly related to the gradient of the band structure and the strong shrink of the barrier height. Hence, the finite element model conveys a more insightful understanding of how the piezoelectric varistor works.

Both the modified phenomenological and finite element models proposed in this work demonstrate that considering the internal electric field reduces the barrier height and increases the current. It implies that if the internal electric field induced GB polarization charge and the polarization charge density in the screening layer is regarded, the determined grain boundary trap charge densities are expected to be higher than those obtained by the previous models.

With the proposed models, systematic parameter studies have been carried out in the end to study the influence of mechanical loading on the grain boundary barrier height and varistor features. The obtained data were used to train a Neural Networks model to make the parameter-property relation accessible to a broad community. The knowledge achieved in the thesis is not limited to the grain boundaries of ZnO but has practical consequences on the study of general junction devices.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Piezoelektrische Halbleiter haben in den letzten Jahrzehnten aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt. Die Kopplung von piezoelektrischen und halbleitenden Effekten ermöglicht Möglichkeiten, das elektrische Potential im Material abzustimmen. Offensichtlich ist der Ladungsfluss der Schaltung durch mechanische Belastung einstellbar. Dieser Effekt wird als Piezotronik-Effekt bezeichnet und bietet Möglichkeiten zur Herstellung neuer Bauelemente, wie z.B. Leuchtdioden und neue mechanisch abgestimmte Feldeffekttransistoren. Unter allen piezoelektrischen Materialien gilt ZnO aufgrund seines höchsten piezoelektrischen Koeffizienten, des hohen Zn-Anteils und der ausgereiften Herstellung von Nanostrukturen als das bekannteste. Das Verständnis der Korngrenzenpotentialbarrieren von ZnO ist jedoch unzureichend, da der physikalische Mechanismus für die Barrierenentwicklung und deren Modifikation durch externe Einflussfaktoren komplex ist. Es hat sich gezeigt, dass die Barrierehöhe durch mechanisch induzierte piezoelektrische Ladung signifikant moduliert werden kann. Folglich macht dies ZnO-ZnO-Schnittstellen zu fortschrittlichen piezoelektrischen Systemen, da die Leitfähigkeit durch mechanische Spannung gesteuert werden kann. Die Nutzung dieses Effekts in Anwendungen erfordert jedoch die Möglichkeit der Anpassung der Schnittstellen und eine genaue physikalische Beschreibung des piezoelektrischen Stoßes. Zu diesem Zweck sind zuverlässige Modelle dringend erwünscht. Um die physikalischen Prinzipien des Kopplungseffekts speziell an der Doppel-Schottky-Barriere zu verstehen und besser nutzen zu können, wurde ein klassisches phänomenologisches Modell verbessert und ein Finite-Elemente (FE)-Modell entwickelt. Ein erweitertes phänomenologisches Modell wird vorgeschlagen, um die Potentialbarrieren der Varistor-ähnlichen Grenzen für piezoelektrische Halbleiter zu rationalisieren. Im Vergleich zu anderen phänomenologischen Modellen berücksichtigt das in dieser Arbeit entwickelte Modell selbstkonsistent den internen elektrischen Feldeffekt nahe der Korngrenze. Der Effekt entsteht durch die doppelte Schottky-Barriere an einer Korngrenze, die ein starkes internes elektrisches Feld in der Verarmungsschicht erzeugt. Aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts führt dieses elektrische Feld zu mechanischer Dehnung und folglich zu piezoelektrischer Ladung an einer Korngrenze und, was noch wichtiger ist, zu einer zusätzlichen Raumladung, die mit der Polarisationsinhomogenität verbunden ist. Die piezoelektrischen Ladungen wirken im Gegenzug auf die Barrierenhöhe. Die Ergebnisse zeigen, dass die durch das interne Feld induzierte piezoelektrische Ladung dazu neigt, die Korngrenzenladung anzupassen und die Barrierenhöhe zu verringern. Außerdem wird die Barrierenhöhe unempfindlicher gegenüber mechanischer Belastung und angelegter Spannung, wenn der Einfluss des internen Feldes berücksichtigt wird. Das erweiterte Modell mit dem inversen piezoelektrischen Effekt des internen Feldes erlaubt es, ihr piezoelektrisches Verhalten weiter zu verdeutlichen. Die Arbeit verbessert die Barrierenhöhentheorie von piezoelektrischen Keramiken und bereichert das Studium der Piezoelektrik und anderer Sperrschichtvorrichtungen. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit ein elektromechanisch gekoppeltes Finite-Elemente-Modell entwickelt. Aufgrund des vollständigen Kopplungseffekts erfordert das Modell nur wenige vorherige Annahmen über die Ladungsverteilung, ermöglicht mehrdimensionale Simulationen von Mehrkornsystemen und erlaubt den Zugang zu Größen wie der Ladungs-, Energie- und elektrischen Feldverteilung. Darüber hinaus beinhaltet das FE-Modell inhärent den inversen piezoelektrischen und Anisotropie-Effekt, die nachweislich einen signifikanten Einfluss auf die Barrierenhöhe haben. Zusätzlich wird gezeigt, dass dieses Modell für fortgeschrittene 3D-Mikrostruktursimulationen unter Berücksichtigung der Komplexität der Grenzflächeneigenschaften verwendet werden kann. Es wurden auch vollständig gekoppelte elektromechanische Finite-Elemente-Simulationen durchgeführt, um das Varistorverhalten unter Vorspannung und mechanischer Belastung zu untersuchen. Dabei werden die Quasi-Fermi-Energien berücksichtigt, wodurch weitere physikalische Grundlagen in das Modell eingebracht werden. Im Vergleich zum phänomenologischen Modell zeigt das FE-Modell, dass der Durchbruch stark mit dem Gradienten der Bandstruktur und der starken Schrumpfung der Barrierenhöhe zusammenhängt. Daher vermittelt das Finite-Elemente-Modell ein aufschlussreicheres Verständnis der Funktionsweise des piezoelektrischen Varistors. Sowohl das modifizierte phänomenologische als auch das in dieser Arbeit vorgeschlagene Finite-Elemente-Modell zeigen, dass die Berücksichtigung des internen elektrischen Feldes die Barrierenhöhe verringert und den Strom erhöht. Es impliziert, dass bei Betrachtung der durch das interne elektrische Feld induzierten GB-Polarisationsladung und der Polarisationsladungsdichte in der Abschirmschicht die ermittelten Korngrenzenfallenladungsdichten höher sein dürften als die mit den vorherigen Modellen ermittelten. Mit den vorgeschlagenen Modellen wurden schließlich systematische Parameterstudien durchgeführt, um den Einfluss der mechanischen Belastung auf die Korngrenzbarrierenhöhe und die Varistoreigenschaften zu untersuchen. Die erhaltenen Daten wurden verwendet, um ein Modell für Neuronale Netze zu trainieren, um die Parameter-Eigenschafts-Beziehung zugänglich zu machen.German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xvi, 121 Seiten
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Mechanics of functional Materials
Date Deposited: 27 Jan 2021 12:09
Last Modified: 27 Jan 2021 12:10
DOI: 10.26083/tuprints-00014273
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-142730
Referees: Bai-Xiang, Prof. Dr. Xu and Gjonaj, PD Dr. Erion
Refereed: 18 September 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/14273
Export:
Actions (login required)
View Item View Item