自压电电子学在2006年被提出以来,广泛应用于应变传感、光电探测以及柔性电子器件等。压电电子学概念的诞生是基于压电效应,压电效应指的是材料的电极化与机械刺激之间的机电耦合。具有压电特性的压电半导体材料同时兼具半导体特性,其内部晶体结构具有非中心对称性,比如纤锌矿结构的ZnO和GaN等。压电电子学器件基于压电电子学效应工作。压电电子学效应是一种界面效应,该效应通过机械刺激诱导压电极化电荷的产生,进而调控器件的电输运特性。压电电子学中应变诱导产生的压电极化电荷的极性可以根据压电半导体的c轴方向判断,当半导体发生拉伸应变时,与c轴同向的方向产生正的压电极化电荷,逆c轴方向产生负的压电极化电荷。在压电电子学中,对器件性能的研究是根据能带理论和压电理论来分析机械刺激诱导的界面调控效应。研究人员利用压电半导体材料制备成了具有金属-半导体接触的肖特基结接触界面,半导体-半导体接触的p-n结接触界面,以及金属-氧化物-半导体接触的MOS结接触界面,并通过机械刺激诱导的应变对结区界面的势垒进行调控。其中,应变诱导的正压电极化电荷可以提升界面处能带,增加势垒的高度,负的压电极化电荷则会拉低能带,降低势垒的高度。根据压电电子学器件的工作原理,以及应变对界面的调控作用,我们可知压电电子学具有构建电子设备与人和环境自适应之间的无缝交互能力,其在物联网、人工智能和生物医学工程等领域具有重要的应用价值。本研究论文通过在单根ZnO纳米线上沉积原子级厚度的HfO2绝缘层制备了Ag/HfO2/n-ZnO隧道结,并成功实现了压电电子学效应对载流子隧穿行为的调控。我们将这种由应变调控的隧道结器件称为压电电子学隧道结应变传感器（Piezotronic tunneling strain sensor）,简称为PTSS。PTSS利用应变诱导的压电极化电荷并行调控隧穿势垒的高度和宽度,从而协同调控器件的电输运过程。应变对PTSS性能的具体调控机制可详述如下:在隧道结中,绝缘层的电阻和肖特基结的电阻是串联关系,两者之间存在分压的关系。当机械刺激压电半导体诱导产生压电极化电荷时,肖特基势垒的高度和耗尽区的宽度将会被改变,进而改变隧道结中绝缘层内的电压降。根据量子力学,载流子隧穿的几率与电场的大小有关:当绝缘层中的电场变大时,载流子发生隧穿的几率将会增加。并且,由压电极化电荷调控的绝缘层中的电场改变量越大时,器件的应变传感性能就越好。因此,PTSS的电流输运特性可由半导体材料的应变实现调控。基于压电电子学效应对隧道结势垒的界面调控,本论文主要从三个方面对PTSS进行了研究:1.通过对PTSS器件进行I-V特性的表征,以及对其开关电流比、肖特基势垒高度的变化、应变灵敏度因数（Gauge Factor,GF）的分析,研究了绝缘层厚度、绝缘介质材料以及温度对PTSS应变传感性能的影响。研究结果表明,1.8nm绝缘层厚度的PTSS具有最佳的应变传感性能。这是由于绝缘层厚度过薄或过厚,都会降低压电极化电荷对绝缘层内电场的调控。并且,当使用HfO2、ZrO2、Al2O3和SiO2这些具有不同介电常数和带隙的绝缘介质制备隧道结器件时,测试的PTSS的应变传感性能并未表现出明显的差别。此外,我们还发现较高的温度会通过热激发诱导产生电子-空穴对,增强自由载流子对压电极化电荷的屏蔽作用,抑制PTSS的应变传感性能。2.通过实验和理论分析确认了机械刺激对隧道结的势垒高度和宽度的并行调控机制。这与仅调控肖特基势垒高度的金属-半导体接触的传感器不同,压电电子学隧道结应变传感器表现出478.4的高开关电流比和4.8×105的高GF值。该GF值比常规的肖特基型应变传感器和现有的ZnO微纳米线或纳米带型传感器高出17.8倍以上。本研究工作促进了对应变调控压电电子学隧道结的基本机理的理解,实现了器件级压电电子学隧道结的高灵敏度应变传感器,其在先进微纳机电器件和系统中具有巨大的应用潜力。3.研究了脉冲电压刺激对Ag/HfO2/n-ZnO PTSS应变传感性能的影响。首先,使用Keilthly 2636数字源表给PTSS施加不同的脉冲电压刺激,研究隧道结器件的电流响应和恢复特性,并证明了脉冲电压的幅值和刺激时间都会对器件的性能造成影响。通过实验数据分析我们得知,在电场力的驱动下,ZnO界面附近带正电荷的离子氧空位向隧道结界面的聚集造成势垒高度的降低。因此,当增加脉冲电压的幅值和刺激时间时,PTSS表现出高电流特性和被抑制的应变传感性能。此外,我们还通过实验验证了脉冲电场方向的改变并不会改变其对PTSS性能的抑制作用。