Characterization and FEM simulation of nano-materials for designing electronic devices
저자
발행사항
Seoul : Sungkyunkwan university, 2018
학위논문사항
Thesis (Ph.D.)-- Sungkyunkwan university : Department of Nano Science and Technology 2018. 2
발행연도
2018
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
형태사항
xiv, 116 p. : col. ill., charts ; 30 cm
일반주기명
Adviser: Sang-Woo Kim
Includes bibliographical references
DOI식별코드
소장기관
In recent few years, there was revolution in electronic device field. Mobile electronics, especially smart phone, become popular, and containing functions are getting complex. The electronics are getting inside our daily life more and more. With various sensors and actuators, everything is worked by electronics, and remote controlled like internet of things (IoT), and the electronics are implanted in human body. All of electronic devices consume electric power, and demand and importance of electric energy are increasing more and more. However, energy storage technology such as battery is confronted by limit of capacity. Many researchers are trying to enhance the capacity of battery, but battery should be replaced by new one or recharged after discharging. To overcome limit of energy storage and realize battery free electronics, researchers have developed energy harvesting technology. Energy harvesting is energy conversion technology from existing environmental energy to electrical energy. Recently, piezoelectric effect has been investigated for energy harvesting to convert mechanical energy to electrical energy.
In order to increase output performance of piezoelectric energy harvesting devices which are called piezoelectric nanognerators (PNGs), it should be studied and designed in material scale. Finite element method (FEM) simulation is very good tool to calculate and expect output performance of PNGs before experiment. In this thesis, the most representative piezoelectric material, ZnO was investigated. It has been synthesized in shape of 1D nanowire (NM) or 2D thin film. However, because of defects and thereby free carriers, it’s piezoelectric potential is screened. Using multiphysics calculation of piezoelectric effect and charge distribution, I calculated dependence of piezoelectric potential as a function of carrier density and found optimum range of carrier density for maximum output potential. The results can suggest how to control synthesis process and carrier density in piezoelectric materials.
Second, I characterized energy material in nano/micro scale using atomic force microscopy (AFM). Triboelectric effect is another energy harvesting mechanism to convert mechanical energy to electrical energy. In addition to energy harvesting, triboelectric effect can work as a gate in field-effect devices like transistors. Once two materials contact, the surfaces are charged and static charges generate electric field. Besides, two-dimensional van der Waals materials (2D materials) which have atomic scale thickness are developed and have been investigated. Due to the atomic scale thickness, they are promising materials for triboelectric field-effect devices. In this thesis, triboelectric properties of 2D materials were investigated. With contact mode AFM under 15 nN force, tirboelectrification was induced in graphene without mechanical damage, and then surface potential was measured. Created charged by triboelectrification tunnel through the graphene and trapped on surface of underlying insulating substrate which is called tunneling triboelectrification. The amount of triboelectric charges was determined by work function difference of graphene and Pt-coated AFM tip, and the charge remained on substrate for more than 7 days. The trapped charges generate electric field and work as a gate to 2D material channel. The gate effect from trapped triboelectric charges is immaterial and floated, so it can be written and removed repeatedly (ghost floating gate). The ghost floating gate had an effect on 2D material channel and the conducting behavior was controlled. The geometry of ghost floating gate can be formed, controlled, and removed on demand, so novel 2D material based devices can be developed.
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