研究背景：

压电半导体结构凭借其独特的耦合效应与功能特性，通常服役于多场耦合环境中。作为脆性材料，压电半导体在制造、加工与服役过程中极易出现裂纹、孔洞及夹杂等缺陷。在应力场、电场与载流子输运的共同作用下，这些缺陷会诱发局部物理场集中，引发结构的变形与断裂，甚至导致结构失效破坏。因此，开展含缺陷压电半导体的多场耦合行为研究，已成为材料科学与工程领域中至关重要的研究方向。

研究简介：

本团队针对含缺陷压电半导体结构，基于近场动力学算子方法，构建了用于分析其力–电–载流子耦合行为的非局部模型。模型依托加权残值法与散度定理，推导得到压电半导体控制方程的等价积分弱形式，并通过近场动力学算子将其转化为非局部积分格式，进而基于变分原理建立了隐式求解方案。通过与已有文献结果对比，验证了模型的有效性与可靠性。在此基础上，进一步探究了初始电子浓度对压电半导体结构变形行为的影响规律。

本研究采用非局部耦合模型，对含裂纹压电半导体方板的力–电–载流子耦合行为进行分析。计算模型采用硫化镉压电半导体材料，得到的位移、电势及电子浓度分布云图如图1(a)所示。在此基础上，通过本构关系求解得到含裂纹压电半导体的应力场与电位移场，其云图分别如图1(b)和图1(c)所示。由图可见，裂纹的存在使得裂纹尖端出现明显的应力与电位移奇异性。数值结果表明，所建立的模型能够准确捕捉并有效预测裂纹尖端的应力集中与电场集中现象，从而验证了该模型的正确性与有效性。

图1 含裂纹压电半导体板的位移、电势、电子浓度、应力、电位移云图

本研究进一步分析了初始电子浓度对含多孔压电半导体板力-电-载流子耦合行为的影响。图2和图3分别给出了不同初始电子浓度下该结构的电势与电子浓度分布云图。由图2和图3可以看出，初始电子浓度对电势及电子浓度均具有显著调控作用。这是因为初始电子浓度决定了压电半导体的导电特性，进而影响结构内部的电势分布。此外，由于力-电‑载流子耦合效应，电场的波动会引起电子浓度增量的变化。

图2 含多孔压电半导体板的电势云图

图3 含多孔压电半导体板的电子浓度云图

本研究由河海大学计算力学与工程安全研究团队完成。通过将近场动力学与力-电-载流子耦合问题相结合，为含缺陷压电半导体的多场耦合分析提供了新思路与新途径。研究成果已发表于国际期刊《European Journal of Mechanics - A/Solids》。团队学术带头人黄丹教授为该论文通讯作者，团队博士生信玉岩为第一作者。论文其他合作作者包括团队青年核心骨干李志远老师及23级硕士生钱一凡。本研究得到了国家自然科学基金项目（No. 12402236, 12572226）、江苏省自然科学基金项目（No. BK20241507）、国家资助博士后研究人员计划项目（No. GZC20240376）以及江苏省“青蓝工程”项目的资助。

《European Journal of Mechanics - A/Solids》旨在发表固体力学创新领域的高质量学术论文，涵盖固体力学基础理论、物理、数学、计算科学与材料工程等交叉方向，服务于依赖固体力学行为的重大工程技术应用需求。在中科院最新分区表中，该刊分区为工程技术类2区，最新影响因子为4.2。

撰稿：信玉岩

审核：周广得

终审：李志远