王中林研究组分别在2007年和2010年引入创立了压电电子学和压电光电子学的基本概念。当具有非中心对称性的纤锌矿结构材料（如氧化锌、氮化镓和氮化铟等）受到外加应力时，由于晶体中离子的极化而在材料内产生压电电势（亦称压电势）。由于同时具有压电和半导体特性，所以晶体中产生的压电势可显著影响界面/结处的载流子传输。压电电子学器件是利用压电势作为“门”电压调节/控制接触处或结区载流子传输过程的电子器件。压电光电子学器件则利用了压电势来控制载流子的产生、分离、传输和/或复合过程，从而提高诸如光电探测器、太阳能电池和发光二极管等光电器件的性能。压电电子学和压电光电子学器件提供的功能是对传统硅基互补金属-氧化物-半导体（CMOS）技术的补充。压电电子学和压电光电子学器件与硅基技术的有效集成可望在人机接口、纳米机器人的传感和驱动、智能化与个性化的电子签名、智能微纳机电系统、纳米机器人和能源科学等领域提供独特的应用。本书将介绍压电电子学和压电光电子学的基本理论、原理和器件。第2版相较第1版增加了压电电子学量子器件、量子压电基础科学及与压电电子学相关的挠曲电效应等内容。

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中科院外籍院士，欧洲科学院院士，，2019年爱因斯坦世界科学奖

目录
第2版前言
第1版前言
第1章 引言与基础知识 1
1.1 以多样性和多功能性超越摩尔定律 1
1.2 人机交互界面 3
1.3 第一代半导体 3
1.4 第二代半导体 4
1.5 第三代半导体 4
1.6 第四代半导体 5
1.7 压电势 6
1.8 压电电子学效应 8
1.8.1 压电电子学效应对金属-半导体接触的作用 9
1.8.2 压电电子学效应对p-n结的作用 11
1.9 压电光电子学效应 12
1.10 压电光子学效应 13
1.11 展望 13
参考文献 14
第2章 压电电子学和压电光电子学材料 16
2.1 纤锌矿结构半导体 16
2.1.1 纳米线材料的生长 16
2.1.2 薄膜的生长 22
2.2 钙钛矿 24
2.3 二维材料 25
2.4 总结 26
参考文献 27
第3章 纤锌矿结构半导体材料中的压电势 30
3.1 支配方程 30
3.2 前三阶微扰理论 31
3.3 垂直纳米线的解析解 33
3.4 横向弯曲纳米线的压电势 35
3.5 横向弯曲纳米线的压电势测量 37
3.6 轴向应变纳米线的压电势 38
3.7 掺杂半导体纳米线的平衡电势 40
3.7.1 理论框架 40
3.7.2 考虑掺杂情况下压电势的计算 42
3.7.3 掺杂浓度的影响 46
3.7.4 载流子类型的影响 49
3.8 压电势对接触局域性质的影响 50
3.8.1 理论分析 50
3.8.2 实验验证 53
3.9 电流传输的底端传输模型 54
参考文献 55
第4章 压电电子学基本理论 57
4.1 压电电子学晶体管与传统场效应晶体管的比较 57
4.2 压电势对金属-半导体接触的影响 59
4.3 压电势对p-n结的影响 60
4.4 压电电子学效应的理论框架 62
4.5 一维简化模型解析解 63
4.5.1 压电p-n结 63
4.5.2 金属-半导体接触 66
4.5.3 金属与纤锌矿结构半导体接触 67
4.6 压电电子学器件的数值模拟 68
4.6.1 压电p-n结 68
4.6.2 压电晶体管 72
4.7 压电效应第一性原理理论 74
4.8 压电电子学效应的量子理论 80
4.9 总结 84
参考文献 84
第5章 压电电子学晶体管和阵列 86
5.1 压电电子学应变传感器 86
5.1.1 传感器的制备和测量 87
5.1.2 压电纳米线的应变计算 88
5.1.3 传感器的机电特性 88
5.1.4 热电子发射-扩散理论的数据分析 90
5.1.5 区分压阻效应和压电效应 92
5.1.6 压电电子学效应引起的应变系数剧增 92
5.2 压电二极管 93
5.2.1 压电电子学效应引起的欧姆接触到肖特基接触的转变 94
5.2.2 肖特基势垒变化的定量分析 96
5.2.3 压电电子学二极管工作机制 98
5.2.4 压电电子学机电开关 99
5.3 基于垂直纳米线的压电电子学晶体管 99
5.3.1 反向偏置接触 100
5.3.2 正向偏置接触 101
5.3.3 两端口压电电子学晶体管器件 102
5.4 压电电子学晶体管阵列和芯片 104
5.5 压电电子学高电子迁移率晶体管 105
5.5.1 压电电子学效应调制异质结电子气 105
5.5.2 压电电子学效应增强的高电子迁移率晶体管 109
5.5.3 柔性高电子迁移率晶体管 114
5.5.4 应变控制功率器件和仿神经自动控制 120
5.6 总结 127
参考文献 127
第6章 压电电子学逻辑电路和存储器 132
6.1 应变门控晶体管 133
6.1.1 器件制备 133
6.1.2 基本原理 135
6.2 应变门控反相器 136
6.3 压电电子学逻辑运算 138
6.3.1 与非门和或非门 138
6.3.2 异或门 141
6.4 机电记忆原理 143
6.5 温度对存储器性能的影响 147
6.6 机电存储器中的压电电子学效应 149
6.7 可复写的机电存储器 152
6.8 总结 153
参考文献 154
第7章 压电电子学效应在气体、化学和生物纳米传感器上的应用 157
7.1 肖特基接触传感器的工作原理 158
7.2 肖特基接触生物传感器 158
7.3 肖特基接触气体传感器 160
7.4 压电电子学效应对肖特基接触传感器的影响 164
7.5 压电电子学效应增强的生物/化学传感器 164
7.5.1 压电电子学效应增强的pH传感器 164
7.5.2 压电电子学效应增强的葡萄糖传感器 168
7.5.3 压电电子学效应增强的蛋白质传感器 171
7.5.4 压电电子学效应增强的气体传感器 175
7.5.5 压电电子学效应增强的湿度传感器 178
7.5.6 压电电子学效应增强的温度传感器 182
7.6 总结 184
参考文献 184
第8章 压电电子学效应对自旋输运的影响 186
8.1 压电电子学效应对Rashba自旋轨道耦合的影响 186
8.1.1 基本机制 186
8.1.2 器件制造 187
8.1.3 输出特性 189
8.1.4 压电电子学效应对自旋轨道耦合的影响 192
8.2 压电电子学效应对拓扑绝缘体的影响 195
8.2.1 基本器件结构 195
8.2.2 基础理论 196
8.2.3 计算结果 197
8.3 总结 203
参考文献 204
第9章 压电光电子学理论 208
9.1 压电光电子学效应的理论框架 208
9.2 压电光电子学效应对发光二极管的影响 209
9.2.1 压电发光二极管简化模型的解析解 209
9.2.2 压电p-n结发光二极管器件的数值模拟 213
9.3 压电光电子学效应对光电传感器的影响 214
9.3.1 正偏肖特基接触的电流密度 215
9.3.2 反偏肖特基接触的电流密度 215
9.3.3 光激发模型 215
9.3.4 压电电荷和压电势方程 216
9.3.5 压电光电子学效应对双肖特基接触结构的影响 217
9.3.6 金属-半导体-金属光电探测器的数值模拟 218
9.4 压电光电子学效应对太阳能电池的影响 220
9.4.1 基本方程 221
9.4.2 基于p-n结的压电太阳能电池 222
9.4.3 金属-半导体肖特基接触型太阳能电池 226
9.5 总结 227
参考文献 228
第10章 压电光电子学效应在光电池中的应用 230
10.1 压电光电子学效应在金属-半导体接触光电池中的应用 230
10.2 压电光电子学效应在p-n结太阳能电池中的应用 236
10.3 压电光电子学效应在薄膜太阳能电池中的应用 237
10.4 压电光电子学效应在纳米线太阳能电池中的应用 244
10.4.1 p-n异质结太阳能电池 244
10.4.2 增强型硫化亚铜/硫化镉同轴纳米线太阳能电池 248
10.4.3 压电光电子学效应在柔性氧化锌/钙钛矿太阳能电池中的应用 254
10.4.4 异质结核壳纳米线的太阳能转换效率 257
10.5 压电光电子学效应增强硅太阳能电池性能 261
10.6 基于n型氧化锌/p型硫化亚锡核壳纳米线阵列的柔性太阳能电池 265
10.7 压电光电子学效应在量子阱太阳能电池中的应用 268
10.8 总结 274
参考文献 275
第11章 压电光电子学效应在光电探测器中的应用 280
11.1 测量系统设计 280
11.2 紫外光传感器的表征 282
11.3 压电光电子学效应对紫外光灵敏度的影响 283
11.3.1 实验结果 283
11.3.2 物理模型 285
11.4 压电光电子学效应对可见光探测器灵敏度的影响 288
11.4.1 实验结果及与计算的比较 288
11.4.2 压阻效应的影响 290
11.4.3 串联电阻的影响 291
11.5 压电光电子学效应对红外光灵敏度的影响 291
11.5.1 器件制备和性能 291
11.5.2 压电光电子学效应对器件的影响 295
11.5.3 物理机制 296
11.6 压电光电子学光电探测的评价标准 298
11.7 总结 298
参考文献 299
第12章 压电光电子学效应对发光二极管的影响 301
12.1 发光二极管的制备和测量方法 302
12.2 发光二极管的表征 303
12.3 压电效应对发光二极管效率的影响 304
12.4 发射光谱和激发过程 307
12.4.1 异质结能带图 307
12.4.2 受应变发光二极管的发光光谱 308
12.5 压电光电子学效应对发光二极管的影响 309
12.5.1 基本物理过程 309
12.5.2 应变对异质结能带的影响 310
12.6 应变对光偏振的影响 313
12.6.1 p型GaN薄膜的电致发光特性 316
12.6.2 压电光电子学效应对发光二极管的影响 317
12.6.3 理论模型 318
12.6.4 发光特性分析 319
12.7 量子阱发光二极管的压电光电子学效应 322
12.7.1 时间分辨压电光电子学效应与可见光通信 322
12.7.2 Micro-LED的压电光电子学效应 326
12.7.3 压电光电子学效应增强发光二极管的热管理 331
12.8 LED阵列和压力传感器应用中的压电光电子学效应 338
12.8.1 发光二极管中的压电光电子学效应的分析模拟 338
12.8.2 单一纳米线LED器件的压电光电子学效应 340
12.8.3 LED阵列中的压电光电子学效应 340
12.8.4 压电光电子学LED阵列和压力传感器 343
12.9 总结 344
参考文献 345
第13章 压电光电子学效应对量子点、量子阱和纳米线异质结的影响 352
13.1 压电光电子学效应对量子点的影响 352
13.2 压电光电子学效应对量子阱的影响 357
13.3 压电光电子学效应对纳米线的影响 365
13.4 触觉成像 371
13.4.1 使用压电纳米线LED阵列进行高分辨率压力分布的电致发光成像 371
13.4.2 超灵敏二维氧化锌压电晶体管阵列用于高分辨率触觉成像 377
13.5 绘制单个细胞的收缩力 383
13.6 总结 390
参考文献 390
第14章 压电催化和压电光电子学效应对催化的影响 395
14.1 压电光电子学效应影响光催化的基本原理 395
14.2 压电催化中压电势的产生 397
14.3 压电极化增强光（电）催化反应 399
14.3.1 具有协同压电和光催化特性的材料 399
14.3.2 压电材料（无光催化性能）与光催化剂的耦合 404
14.3.3 压电半导体的集成 409
14.4 总结 411
参考文献 411
第15章 二维材料的压电电子学和压电光电子学 416
15.1 二维材料的压电性 416
15.2 单原子层二维材料中的压电电子学效应 419
15.3 单原子层二维材料中的压电光电子学效应 421
15.4 总结 425
参考文献 425
第16章 压电光子学 427
16.1 力致发光 427
16.2 器件设计 428
16.3 压电光子学效应的原理 429
16.4 实验观察 431
16.5 器件性能的改善 434
16.6 应用范例 436
16.7 总结 438
参考文献 439
第17章 挠曲电效应 441
17.1 中心对称半导体内的挠曲电电子学效应 441
17.1.1 挠曲电电子学效应 441
17.1.2 低掺杂p型硅单晶内的挠曲电电子学效应 443
17.1.3 纳米压痕条件下其他类型硅内的挠曲电电子学效应 445
17.1.4 离子半导体中的挠曲电电子学效应 446
17.2 基于非均匀应变的高性能压电电子学器件 449
17.2.1 非均匀应变条件下压电电子学晶体管的示意图 450
17.2.2 基于非均匀应变的压电电子学p-n结的数值模拟 452
17.3 总结 456
参考文献 456
第18章 热释电光电子学效应 459
18.1 热释电 459
18.2 金属-半导体界面的热释电光电子学效应 460
18.2.1 器件设计及原理 460
18.2.2 器件性能 461
18.2.3 器件工作机制 462
18.2.4 热释电效应对响应时间的改善 464
18.3 p-n结处的热释电光电子学效应 466
18.3.1 器件制备 466
18.3.2 工作机制 467
18.3.3 器件性能 468
18.4 总结 471
参考文献 472