ZnO作为一种常见的压电材料，以其独特的半导体特性在压电及压电电子学器件中倍受关注。对于一维ZnO纳米材料，已有相关研究从理论上证实ZnO纳米棒阵列中的自由载流子会补偿并削弱其压电势，造成电势屏蔽效应，这一效应将极大地限制ZnO这类压电半导体器件的压电输出。因此，在实验上理解电势屏蔽效应的物理机制并阻断这一效应对推动压电半导体器件的发展至关重要。然而，由于纳米棒在尺度上的微小特性，导致难以在实验上直接测定电势屏蔽效应，阻碍了对其物理机制的进一步理解和相应抑制手段的提出。
图案化ZnO纳米棒阵列中理解电势屏蔽效应的设计示意图
针对该问题，在西南交通大学材料学院杨维清教授和青年教师邓维礼的共同指导下，2018级硕士研究生田果通过光刻技术和水热法在柔性PEN基底上制备了一层图案化的ZnO纳米棒阵列，并借助压电力显微镜在纳米尺度上研究了单个ZnO纳米棒阵列单元压电势的空间分布，结合微尺度下的电势分布从实验上揭示了广泛存在于ZnO这类压电半导体中由载流子跃迁或隧穿补偿而导致的电势屏蔽效应（设计思路如图1所示）。同时，结合有限元模拟和ZnO在电极界面处能带变化分析，阐明了自由载流子对半导体压电电势的屏蔽抑制机制，并证明了通过图案化的结构设计能够成功抑制电势屏蔽效应，最终使得器件电压输出提升了1.62倍。此外，由于图案化的结构设计引入了空隙去释放和容纳纳米棒在形变下产生的应力和应变，使得薄膜可以在保持结构完整性的前提下承受更大的应力和更多样化的应变模式，且图案化薄膜的挠曲模量相对于非图案化薄膜减少了35.74%，大幅提升了器件的柔韧性。此工作在实验上测定了半导体压电材料中的电势屏蔽效应，并阐明了其物理机制；同时针对抑制屏蔽效应和提升力学柔韧性提出了图案化的结构设计方案，有助于推动柔性压电电子器件向更为优异的力电综合特性发展。相关研究成果以“Understanding the Potential Screening Effect through the Discretely Structured ZnO Nanorods Piezo Array”为题在线发表在国际著名期刊Nano Letters上。西南交通大学为独立通讯单位，邓维礼高工和杨维清教授是论文的通讯作者，硕士研究生田果是第一作者。该成果得到了国家自然科学基金、西南交通大学和材料学院的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00793
图案化ZnO纳米棒薄膜的结构及制备示意图 (a)PVDF作为阻挡层的图案化ZnO纳米棒压电器件结构示意图；(b)图案化ZnO纳米棒器件制备流程示意图；(c)图案化ZnO纳米棒的表面及截面SEM图片。
电势屏蔽效应物理机制研究 (a)压电力显微镜的测试示意图，放大图表示探针扫描范围逐次扩大；(b)电势屏蔽效应在单个ZnO纳米棒阵列单元中不同位置的原理图；(c)应力作用下模拟的不同载流子浓度的ZnO纳米棒压电势；(d) 图案化和非图案化结构器件的I-V特性曲线。
团队介绍：
杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省第十二届政协委员，四川省杰出青年，2007和2011年分别获得四川大学硕士和博士学位，2011-2014年先后在电子科技大学和美国佐治亚理工学院从事博士后， 2014年4月引进到西南交通大学材料学院教授博导，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater.（IF: 25.809）, ACS Nano (IF: 13.903），Nano Lett.（IF: 12.279）, Adv. Funct. Mater. (IF: 15.621) 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计150余篇，其中影响因子IF>10论文31篇，ESI高被引论文11篇，引用4900余次(Google Scholar)。主持国家自然基金、四川省杰出青年基金项目、教育部留学回国人员启动基金项目等多项省部级项目，担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。申请专利40项(已授权18余项)。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委（NSF)、Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。也是Newscientists（科技媒体世界排名第一，见百度）首次报道西南交通大学的科研工作。相关科研成果在北京科技展和中关村科技展上，受到国务院副总理刘延东、中科院院长白春礼院士和中科院北京分院院长何岩院士的高度评价，受邀参加中国国际广播电台名人坊节目专访。
课题组网站：https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index.htm
