Mesoscopic models for the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors

压电半导体机械调制电导率的介观模型

基本信息

项目摘要

The piezoelectric polarisation induced by internal or applied mechanical stresses in oxide ceramic semiconductors is known to modify the potential barriers at grain boundaries and therefore the electrical conductivity across these boundaries. Besides this modification in the microscopic scale, the effective electrical conductivity of polycrystalline bulk material depends also on the microstructural disorder associated with stochastic variations in grain size, grain boundary properties, crystallographic orientation and the related stress field distribution. The effect of microstructural disorder is manifested in the current flow properties, in particular, in the current filamentation phenomenon consisting in the concentration of current density along a few low resistivity paths within the material. Thus, the effective conductivity of polycrystalline materials depends not only on the piezoelectric grain boundary modification but also on the mesoscopic scale current distribution within the material for different applied voltages and mechanical stress conditions. Both, microscopic and mesoscopic effects are closely connected and should be investigated as coupled phenomena within a common research platform.The project is dedicated to the numerical modeling and simulation of the mechanically modulated electrical conductivity of ZnO. Microscopic-scale charge transport models for bicrystals and multigrain arrangements taking into account drift-diffusion, thermionic emission at grain boundaries as well as the direct and inverse piezoelectric effects will be developed. These models will be incorporated into 3D mechanically informed mesoscopic current flow simulations for polycrystalline ZnO using accurate mechanical stress distributions and taking into account stochastic microstructural variations. The microscopic-scale approach will provide insight into the range of validity of mesoscopic current simulations based on equivalent network and finite element models. The proposed models will be employed in the simulation based electromechanical characterization of ZnO varistors. Furthermore, textured ZnO films with intentionally oriented polarity will be investigated. All proposed investigations will be performed in close cooperation with our project partners.
已知由氧化陶瓷半导体中的内部或施加的机械应力诱导的压电极化,可以改变晶界处的潜在屏障,从而改变这些边界的电导率。除了在微观范围内进行这种修饰外,多晶体体积材料的有效电导率还取决于与晶粒尺寸,晶界特性,晶体边界特性,晶体学方向和相关应力场分布的随机变化相关的微结构障碍。微结构障碍的作用在当前的流量特性中表现出来,特别是在当前的细丝现象中,该现象由沿材料内几个低电阻率路径的电流密度浓度组成。因此,多晶材料的有效电导率不仅取决于压电晶界的修饰,而且还取决于材料中不同施加的电压和机械应力条件的介质尺度电流分布。显微镜和介观效应都密切相关,应在共同的研究平台内作为耦合现象进行研究。该项目专门用于ZnO机械调制电导率的数值建模和模拟。考虑到漂移扩散,晶界的热电话发射以及直接和反向压电效应,将开发出微观尺度的电荷运输模型和多流晶序列。这些模型将使用准确的机械应力分布并考虑到随机的微结构变化,将这些模型纳入多晶ZnO的3D机械知情介观流模拟中。微观尺度方法将洞悉基于等效网络和有限元模型的介观流模拟的有效性范围。所提出的模型将用于基于仿真的ZnO变种机的机电表征。此外,将研究具有有意定向极性的质感ZnO膜。所有提议的调查将与我们的项目合作伙伴密切合作进行。

项目成果

期刊论文数量(5)
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专利数量(0)
An extended grain boundary barrier height model including the impact of internal electric field
包含内部电场影响的扩展晶界势垒高度模型
  • DOI:
    10.1063/1.5049473
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Bai-Xiang Xu;Zi-Qi Zhou;Peter Keil;Till Frömling
  • 通讯作者:
    Till Frömling
Mesoscopic Modelling of Mechanically-Modulated Electrical Conductivity in Zinc Oxide Varistors
氧化锌压敏电阻机械调制电导率的介观建模
  • DOI:
    10.25534/tuprints-00012691
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Kyle A. Taylor
  • 通讯作者:
    Kyle A. Taylor
Coupled Simulation of Current Flow and Residual Thermal Stress in ZnO Varistors
ZnO 压敏电阻中电流和残余热应力的耦合模拟
  • DOI:
    10.1109/tmag.2019.2952149
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Kyle A. Taylor;Erion Gjonaj;Herbert De Gersem
  • 通讯作者:
    Herbert De Gersem
Mesoscopic modeling of the mechanically tunable electrical conductivity of ZnO varistors
ZnO 压敏电阻机械可调电导率的介观建模
  • DOI:
    10.1063/1.5142231
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Kyle A. Taylor;Erion Gjonaj;Zi-Qi Zhou;Bai-Xiang Xu
  • 通讯作者:
    Bai-Xiang Xu
Microscopic simulation of the mechanically modulated electrical conductivity of piezoelectric semiconductors
压电半导体机械调制电导率的微观模拟
  • DOI:
    10.26083/tuprints-00014273
  • 发表时间:
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Ziqi Zhou
  • 通讯作者:
    Ziqi Zhou
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