Extrem verzerrte Nano- und Mikrodrähte
Final Report Abstract
Ein Halbleiter reagiert auf eine mechanische Verzerrung im Allgemeinen mit einer Änderung seiner Bandstruktur und insbesondere mit einer Änderung seiner Bandlücke. Der lineare Koeffizient des Zusammenhangs zwischen Verzerrung und Änderung der Energieniveaus wird auch "optisches Deformationspotential" genannt. An ZnO Mikrodrähten konnten durch Verbiegung große, über die üblichen durch Druck erzeugten hinausgehende, kompressive und tensile uniaxiale Verzerrungen angebracht werden. Der von uns experimentell gefundene nicht-lineare Zusammenhang zwischen Verzerrung und Bandlücke wurde quantifiziert und kann durch ein zusätzliches quadratisches Glied in der Verzerrung beschrieben werden. Während des Projekts bekannt gewordene theoretische Rechnungen sagen einen nicht-linearen Zusammenhang voraus, dessen Größe allerdings von Details der Rechnung abhängt. Nun liegen erstmals experimentelle Daten vor, an denen theoretische Rechnungen qualifiziert werden können. Zudem wurden erstmals korrekte theoretische Rechnungen zu Verzerrung, Bandstruktur und piezoelektrischen Effekten in Wurtzit- und Zinkblende-Mikrodrähten unter Torsion durchgeführt. Deren Voraussagen werden neue Experimente stimulieren. Unsere Ergebnisse sind für Modellierungen im Gebiet der "Piezotronik" wichtig, in dem mechanische Deformationen von nano- und Mikrostrukturen mit elektronischen Bauelementen verknüpft werden. Anwendungsbeispiele sind u.a. Energieumwandlung mit Nanodrähten ("energy harvesting") und hochauflösende Fingerabdruck-Sensoren. Der starke Einfluss von optischen Flüstergaleriemoden auf die quantitative Bestimmung der (linearen und nicht-linearen) optischen Deformationspotenziale war etwas unerwartet und erschwerte (und verzögerte) die Auswertung.
Publications
- Theory of Semiconductor Solid and Hollow Nano- and Microwires With Hexagonal Cross-Section Under Torsion, phys. stat. sol. (b) 252, 773 (2015)
M. Grundmann
(See online at https://doi.org/10.1002/pssb.201451431) - Non-linear optical deformation potentials in uniaxially strained ZnO microwires, Appl. Phys. Lett. 110, 062103 (2017)
C. Sturm, M. Wille, J. Lenzner, S. Khujanov und M. Grundmann
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4975677)
