Key Laboratory of Welding Robot and Application Technology of Hunan Province, Engineering Research Center of Complex Tracks Processing Technology and Equipment of Ministry of Education, School of Mechanical Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China
Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11832016, 61804130, 51775471) and the Provincial Natural Science Foundation of Hunan (Grant No. 2018JJ3513)
Received Date:16 July 2019
Accepted Date:14 September 2019
Available Online:27 November 2019
Published Online:05 December 2019
Abstract:Gallium nitride (GaN) nanobelt with a quasi-one-dimensional structure possesses good piezoelectric and photoelectric properties. In this paper, the electromechanical coupling properties of single GaN nanobelt under optical modulation are studied by conductive atomic force microscope. The GaN nanobelts with good crystallization are prepared by the chemical vapor deposition method, then they are ultrasonically dispersed on a highly oriented pyrolysis graphite substrate. The conductive probe is used as a microelectrode to construct the two-terminal piezoelectric device based on a single GaN nanobelt, which has good electromechanical coupling performance. By changing the loading force of the probe and introducing an external light source to regulate the current transport properties of GaN nanobelt, the coupling between mechanical and semiconducting properties under light modulating is studied. It is found that the coupling between mechanical and semiconducting performance of the single GaN nanobelt can be effectively modulated by an external light source, and the electromechanical switch ratio of the single GaN nanobelt increases obviously in the presence of light. With the loading force increasing, the current response of the single GaN nanobelt increases but the rectification characteristics decrease. Finally, the experimental results are explained by the piezoelectric electronics and photoconductivity theory. This work is expected to provide a scientific basis for the performance modulation of nano-piezoelectric optoelectronic devices based on low-dimensional GaN nanomaterials. Keywords:GaN nanobelt/ piezoelectric effect/ photoconductive effect/ electromechanical coupling
图2(a)为GaN纳米带粉末的XRD图谱, 可以看出在2θ为32.4°, 34.6°和36.9°时出现分别对应六方纤锌矿GaN (100), (002), (101)面的3个主要晶面衍射峰, 与报道的体块材纤锌矿GaN相一致[14,28,29,32]. XRD图谱衍射峰锐利, 表明制备的GaN结晶性比较好. 图2(b)为GaN纳米带粉末SEM图像, 可以看出所制备的GaN纳米材料呈现较好的带状分布, 宽度分布约在0.1—1.0 μm之间. 基于图1所示的测试装置图, 使用AFM在接触模式下扫描得到了单根GaN纳米带的二维及三维形貌图, 如图2(c), (d)所示. 可以看出, 单根GaN纳米带的宽度约为1 μm, 高度约为70 nm, 呈现出典型的带状形态. 图 2 (a) GaN纳米带粉末XRD图谱; (b) GaN纳米带粉末SEM图像; (c)单根GaN纳米带AFM二维形貌图及(d)三维形貌图 Figure2. (a) XRD scans and (b) SEM image of the as-prepared GaN nanobelt powder; (c) 2-D and (d) 3-D AFM morphology image of a single GaN nanobelt.
23.2.单根GaN纳米带力电性能的光调控 -->
3.2.单根GaN纳米带力电性能的光调控
通过测量标准蓝宝石基底上的力曲线校准导电探针针尖弹性系数及悬臂的偏转灵敏度, 施加在GaN纳米带上的加载力可以通过改变偏转电压进行调节. 在HOPG基底上施加4 V的直流电压, 在接触模式下使用C-AFM对单根GaN纳米带进行面扫并同时记录电流值, 得到如图3所示的不同加载力下(30, 50, 70 nN)的单根GaN纳米带二维电流形貌图. 其中图3(a)—(c)为暗场下的电流形貌图, 明暗程度代表电流值的高低, 插图为电流形貌图截面处的电流值. 可以看到随着加载力的增大, 单根GaN纳米带的电流响应值逐渐增加, 主要原因是GaN纳米带具有良好的压电特性, 在探针加载力的作用下产生面外压电电场, 有效降低了导电探针与GaN纳米带之间的肖特基势垒. 选择波长为450 nm的激光作为光源, 光束经传导光纤和聚光镜照射至探针针尖区域, 然后通过C-AFM面扫得到如图3(d)—(f)所示光场下的GaN纳米带电流形貌图. 与暗场结果类似, 单根GaN纳米带的电流响应值随加载力增加而增大, 且在相同加载力作用下, 光场下的GaN纳米带电流响应值更大. GaN纳米带具有光电特性, 光场下GaN纳米带表面所产生的光生载流子在提高其电导率的同时还进一步降低了GaN纳米带与导电探针之间的肖特基势垒, 两者共同作用使得相同加载力作用下GaN纳米带获得更大的电流响应值. 图 3 (a)?(c)暗场下单根GaN纳米带的二维电流形貌图, 加载力分别为30, 50, 70 nN; (e)?(f)光场下单根GaN纳米带的二维电流形貌图, 加载力分别为30, 50, 70 nN; 插图为电流形貌图截面处的电流值 Figure3. (a)?(c) 2-D current topography of a single GaN nanobelt under dark condition with the loading forces of 30 nN, 50 nN and 70 nN, respectively; (d)?(f) 2-D current topography of a single GaN nanobelt under light condition with the loading forces of 30 nN, 50 nN and 70 nN, respectively. The insert shows the current value at the cross section of 2-D current topography.
通过图3的分析可知, 所制备的GaN纳米带具有显著的力电和光电响应. 为了更具体地研究单根GaN纳米带的力电性能及其光调控, 测试了GaN纳米带的单点电流-电压(I-V)性能, 如图4所示. 图4(a)为暗场下分别在探针上施加20, 30, 40 nN加载力时单根GaN纳米带的I-V曲线, 可以看出20 nN的小加载力作用下I-V曲线呈现明显的整流特性, 这与所分析的导电探针与GaN纳米带之间形成肖特基接触的分析一致. 随着加载力增大到40 nN时, 电流值随之增加, 同时I-V曲线的对称性增强, 整流特性几乎消失. 需要说明的是, 20 nA是本实验室C-AFM电学测量单元的限流值. 图4(b)为图4(a)的对数坐标形式, 可以清晰地看到随着加载力的增大, 最小电流值对应的电压从–1.25 V增加至约0 V, 同时I-V曲线对称性也增强, 这说明探针施加的加载力在GaN纳米带表面诱导的压电电场有效降低了它们之间的肖特基势垒, 与上文分析一致. 图4(c)为光场下分别在探针上施加20, 30和40 nN加载力时单根GaN纳米带的I-V曲线, 可以看出, 加载力相同时在光场作用下GaN纳米带的电流值明显增大, 此时加载力对GaN纳米带电流输运性能的调控减弱. 图4(d)为图4(c)的对数坐标形式, 可以看出在光场下GaN纳米带的I-V曲线呈现对称性, 且电流最小值对应的电压约为0 V, 不随加载力的变化而变化, 此时GaN纳米带光电导效应是调控其电流输运的主要因素, 光场下GaN纳米带表面所产生的大量光生载流子很大程度上降低了导电探针与GaN纳米带之间的肖特基势垒. 图 4 GaN纳米带单点I-V曲线 (a), (b)暗场不同加载力下的I-V曲线及对数坐标形式; (c), (d)光场不同加载力下的I-V曲线及对数坐标形式 Figure4. Single point I-V curves of a single GaN nanobelt: (a), (b) I-V curve and its logarithmic coordinate with different loading forces under dark condition; (c), (d) I-V curve and its logarithmic coordinate with different loading forces under light condition.
为了进一步考察器件的光力电耦合特性, 对器件在明暗场下的直流脉冲电压响应进行了测试, 得到如图5所示的电流-时间(I-t)曲线. 脉冲电压幅值为 ± 2 V, 频率为1 Hz. 图5(a)中加载力为30 nN, 此时单根GaN纳米带的I-t曲线表现出整流特性. 暗场下整流比约70 (+2 V脉冲电压下的电流值与–2 V脉冲电压下的电流绝对值的比值); 在光场下单根GaN纳米带的电流响应增加, 同时整流比增大到约230. 由此可见, 外加光场的引入有效提高了单根GaN纳米带的整流特性. 如图5(b)所示, 当加载力增加到40 nN时, 由于肖特基势垒的降低, 单根GaN纳米带的电流响应值增大但整流特性减弱, 在脉冲电压值为负时, I-t曲线呈现出较为明显的弛豫现象. 引入光源后, 电流值明显增加, 且在脉冲为+2 V时输出电流已经达到20 nA 限流. 图 5 明暗场不同加载力下单根GaN纳米带的I-t曲线 (a) 30 nN; (b) 40 nN Figure5.I-t curves of a single GaN nanobelt under different loading forces in light and dark conditions: (a) 30 nN; (b) 40 nN.
23.3.机理解释 -->
3.3.机理解释
对于单根GaN纳米带的光力电耦合性能, 可以通过图6所示的能带结构示意图给出定性的解释. 探针、HOPG基底与GaN纳米带之间均形成肖特基接触, 所以器件可等效成如图6(a)所示的肖特基二极管与GaN纳米带体电阻组成的串联电路, 其中肖特基二极管可被加载力和光场调控. 图6(b)给出了能带结构示意图, 可以看出探针-GaN纳米带、GaN纳米带-HOPG基底之间具有不对称的肖特基势垒, 其中探针端无加载力时的肖特基势垒高度为φSB、加载力作用下肖特基势垒高度为$\varphi'_{\rm{SB}}$、肖特基势垒降低量为Δφ. 需要指出的是, GaN纳米带-HOPG基底之间的肖特基势垒较低, 对于电流输运特性的影响较小. 探针端加载偏置电压时, 器件的电流响应将呈现典型的整流特性. 当探针施加加载力时, 界面形成的压电电场(EPZ)可以降低肖特基势垒(降低量记为Δφ), 有效改变局域接触特性, 调控器件的电学输运特性. 另外, 当器件暴露在光场下时, 在GaN纳米带表面将形成大量的电子-空穴对, 价带空穴向纳米带-基底界面处靠近并聚集, 改变界面电势分布, 从而拉低界面处肖特基势垒. 导带电子在电场作用下可参与导电, 进一步增大纳米带电导率, 增强电流输运性能. 上述的压电效应和光电导效应可以共同作用, 对GaN纳米带的电流输运特性进行力、光的耦合调控. 图 6 (a)单根GaN纳米带器件等效电路示意图; (b)光力电耦合能带结构示意图 Figure6. (a) Schematic diagram of equivalent circuit of the single GaN nanobelt based device; (b) schematic diagram of energy band structure with optically modulated electromechanical coupling.