GaN半导体纳米材料的多场耦合失效机理

Semiconducting nanomaterials have the potential application in nanoelectronic devices because they have the excellent optoelectronic property, piezoelectric property and sensitivity characteristics. The application is greatly restricted by the lack of reliability evaluation on semiconducting nanoelectronic devices, therefore it is very important to understand multi-field coupling failure mechanisms of semiconducting nanomaterials.In this proposal, considering high chemical stability, good thermal stability and mechanical property we choose GaN nanowire, nanobelt and nanowire array as an object of study to solve two key scientific issues, the multi-scale modeling and multi-field coupling failure mechanism. We will develop some novel experimental methods to observe multi-field coupling failure under the external fields, and perform multi-scale modeling on semiconducting nanomaterials by constructing the atom, molecule and continuum models. Bond-order-length-strength (BOLS) theory is extended to describe the function relationship between the macroscopic physical properties and atomic bond parameters at different physical fields, and we will solve the multi-field coupling of the electric field, stress field and defects for semiconducting nanomaterials. A set of theoretical system will be constructed for structural and functional failure mechanisms to enrich the mechatronic reliability, and it will provide theoretical basis on the optimization of preparation and application for semiconducting nanomaterials.

半导体纳米材料具有优异的光电、压电和敏感特性，在纳米电子器件中具有很好的应用前景；缺乏可靠性评价方法严重限制了半导体纳米器件的开发应用，因而研究半导体纳米材料多场耦合失效行为具有重要意义。本项目选择具有极高化学稳定性、良好热稳定性和机械性能的GaN半导体纳米材料，及其纳米线、纳米带和纳米线垂直阵列原理性器件为研究对象，拟解决半导体纳米材料跨尺度模拟及多场耦合失效机理两个关键科学问题。发展实时观测外场下半导体纳米材料多场耦合行为的方法手段；建立原子、分子和连续介质层次模型，模拟半导体纳米材料多场耦合响应；将键弛豫相关理论扩展到不同物理场空间，描述宏观物理性能和原子键参数的解析函数关系；解耦半导体纳米材料压电势、应力场和缺陷之间的耦合问题；建立揭示半导体纳米材料多场耦合"结构失效"和"功能失效"机理,丰富半导体纳米材料力电失效学的基本内涵，为优化半导体纳米材料制备和应用提供理论基础。

在执行期内按照项目研究计划，选择具有极高化学稳定性、良好热稳定性和机械性能的GaN、ZnO、ZnS和SnO2等半导体纳米材料，及其纳米线、纳米带和纳米线垂直阵列原理性器件为研究对象，开展了半导体纳米材料的制备与表征、多场耦合失效的实验和跨尺度模拟研究，以及半导体纳米材料多场耦合失效机理四方面的研究工作。发展实时观测半导体纳米材料多场耦合行为的实验技术：利用先进测试技术，发展实时观测光、热、力和电场作用下半导体纳米材料多场耦合失效行为的实验方法，获得具有自主知识产权的国家发明专利4项。针对不同尺度和几何结构的半导体纳米材料，选择DFT、FEM和固体物理理论建模分析的适当方法，模拟外场作用下半导体纳米材料多场耦合失效行为。建立宏观物理性能和原子键参数之间的关联：将键弛豫相关理论扩展到不同物理场空间，建立带隙及其相关压电、光电效应与微观原子键参数及它们对外界刺激反应之间的函数联系。提出半导体纳米材料多场耦合“结构失效”和“功能失效”机理：针对屈曲、断裂、漏电、击穿和烧蚀等破坏现象和主导功能特性衰败，提炼半导体纳米材料多场耦合“结构失效”和“功能失效”的内在机理。共公开发表学术论文39篇，其中SCI收录的学术论文共33篇，在影响因子3.0以上的SCI源刊发表学术论文14篇，授权国家发明专利4项。获得湖南省自然科学奖二等奖两项以及湖南省高等教育省级教学成果奖三等奖一项，获得教育部“长江学者计划”奖励计划教育部创新团队滚动资助项目一项。参加国内外学术会议10余次，培养毕业博士及硕士生共15人。本项目基本按研究计划完成，个别内容作了必要的调整和变动，执行情况良好。

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