2021年3月7日9：30，由西安建筑科技大学力学技术研究院（IMT）开展的力学家访谈，在腾讯会议线上进行。本期访谈的嘉宾是内布拉斯加大学林肯分校机械与材料工程系杨嘉实教授。
线上访谈掠影
力学家访谈源于对力学家的致敬，希望以访谈的形式请他们分享自己的学术成果、科研心得、新思想，以此激励学生的科学研究激情。采访内容如下：
问：现代材料加工技术的发展，已生产出许多压电半导体结构，对于这些结构您能简单谈谈其应用前景么？
答：
在这方面比较有名的是王中林教授，他是中国科学院外籍院士，美国佐治亚理工学院教授。他的团队研究氧化锌及一些其他压电半导体材料的纤维和薄膜，有些涉及到纳米尺度。他们做的主要器件大致的可以分为三类，一是换能器，把机械能转换为电能；二是各种传感器；三是电子电路元件。由于他们的半导体具有压电性，所以他们的半导体器件对力有敏感性，换言之，就是可以用力来调控。这些器件的开发初期属于实验室研究，发表了很多文章，产业化的情况我不清楚。我曾教过一个学生，毕业后在唐山的一家叫做纳米新能源的公司工作，这家公司购买了王中林教授的一些技术，生产相关器件，具体情况我了解得很有限。在实验室制作一个样品，测试一下，发一篇文章，这是第一步；要成为产品进入市场，需要能大规模批量生产，在价格和性能上有竞争力或优势。王中林教授推广了传统的电子学使得半导体器件与机械作用耦合，在宣传方面做的很成功。他的文章很多，几年前曾在国际物理学界引用率排名第一，还被预测为诺贝尔奖可能得主。总之，关于压电半导体压电器件已经有很多文章，在产业化这方面我没有很关注。比如今天我的报告当中提出的一个现象：对氧化锌纤维加一个局部应力，相当于在半导体导线中形成一个机械开关。但是我们没有实验和样品，只是做了数值模拟写了篇文章而已。
问：关于压电材料在施加压力后，如果压电材料的正负极没有向外界转移电荷，压电材料产生的电压能维持恒定吗？如果压力一直存在，那么压电材料两端电势差也会一直存在吗？
答：
一个理想的压电绝缘体，不作为电路元件，比如一个孤立的压电杆，对两端施加拉力，假设沿杆的轴向有压电性质，会在杆的两端产生等效极化电荷。杆不和外界接触时，杆两端产生的电势差或者极化电场就会永久存在。但是实际上，由于各种因素，比如材料或环境的不完美，电势差会慢慢消失。绝缘体毕竟是理想化的，在绝缘体内部存在微量电荷，它们会部分中和两端的极化电荷；再者，环境中的游离电荷可能被吸附在压电杆上，随着时间流逝，杆对外便不再显示电性了。总之，如果在理想情况下，施加拉力后，对外界来说，压电绝缘体杆相当于一个偶极子，在周围空间里会形成电场。
问：在压电能量采集方面，普遍存在效率不高问题，您认为有没有较好的解决思路？
答：
拿最简单的压电换能器来说，机械能转化为电能，这可以是一种效率比较高的转化方式。但实际上，效率的影响因素有很多，如果设计的不好，效率可能比较低。所以需要压电换能器设计者通过最优设计，让它工作在一个比较适合它的状态，效率才能提高。比如效率对机械载荷的频率及输出电路的负载阻抗都很敏感，需要综合设计，提高效率。压电换能器在设计好的条件下，比起其他换能器来说，效率是比较高的，所以“低效率”不是压电换能器的普遍特点。关于压电换能器效率的一些数值结果可以参考这篇文章的图4和图5： J. S. Yang, H. G. Zhou, Y. T. Hu and Q. Jiang, Performance of a piezoelectric harvester in thickness-stretch mode of a plate, IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr., 52, 1872-1876, 2005.
图4 图5
传统压电换能器采用的都是绝缘体，压电半导体用于换能器时，由于半导体内部有载流子，会削弱极化电荷的作用，对换能器效率有消极影响。所以做压电换能器一般会使用压电绝缘体，关于压电半导体我更关注它作为压电电子学器件的应用。
问：发现问题，提出问题，解决问题是科学研究的基本逻辑，然而万事开头难，所以发现问题显得尤为重要，您能简单分享发现问题的经验么？
答：
这个问题也常年困扰我，我之所以在报告中详细地说明问题背景，是因为发现问题很重要。很多人通过读文献发现问题，比如一些比较吸引眼球的杂志，《Science》、《Nature》等等。我的问题来源往往是一些公司和美国陆军实验室在实际中遇到的困难，是工业界或国家的需求。我的研究经历有些像国内军工方面的院校，他们有国家定向的题目或经费。我做的题目一般不涉及保密，主要是军民两用的压电元件。我们看文献相对较少，问题主要来源于实际需求。这样做的好处是理论联系实际，但同时也可能使人产生惰性，不去探索新的东西。Mindlin早年研究压电石英板的振动，这和军队早期的对讲机等通讯器材有关。Mindlin和我的老师们的成功之处是从实践中提取出了力学题目，发展了相应的力学理论，比如压电板及电磁弹性介质的力学，并解决了相应的实际问题。
问：近些年来由于跨学科交叉出现许许多多的新方向，压电半导体结构作为一个具有广泛前景的方向，您能给研究生们一些学习上的建议么？
答：
交叉学科这个词在美国没有像国内宣传这麽多。在国内，国家自然科学基金委新设立了交叉科学部。压电半导体勉强算作交叉学科，实际上是一个耦合场的问题，即力、电磁、热等耦合。耦合场的研究一直属于力学学科的传统范畴。其他如生物力学和化学固体力学等则更像交叉学科一些。
要入门压电半导体，所需的知识不是很多，弹性力学大家很熟，再复习一下大学物理的相关知识，主要是导体和绝缘体。还需要学习一点半导体，宏观理论只需要在导体本构关系中增加由浓度梯度引起的扩散电流，跨度不大。弹性力学和绝缘体耦合起来就是压电学，压电学和半导体的Drift-diffusion模型耦合就是压电半导体的宏观框架，所以进入压电半导体这个领域并不难。
撰稿人：黄英
采访人：黄英
校对：戴远帆
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