研究目的
研究外加电场对极化GaN压电半导体陶瓷断裂韧性的影响。
研究成果
在0.83 kV cm?1电场作用下，GaN压电半导体陶瓷的断裂韧性因载流子重分布和诱导电场作用先提升22%后趋于稳定，该特性与传统压电陶瓷不同。这一发现有助于理解PSC断裂行为并为电子器件可靠性设计提供依据。
研究不足
本研究仅限于氮化镓陶瓷及特定实验条件；结果可能无法推广至其他材料或更高电场环境。数值模型基于特定材料属性和边界条件假设，可能未能涵盖所有现实复杂性。
1：实验设计与方法选择：
本研究采用实验与数值模拟相结合的方法，包括通过单边预裂纹梁法进行电场加载下的断裂测试，以及使用COMSOL软件进行有限元分析以模拟应力、电场和载流子分布。
2：样品选择与数据来源：
GaN陶瓷由GaN粉末经真空热压制成。制备了经极化的特定尺寸三点弯曲预裂纹试样。
3：实验设备与材料清单：
设备包括配备0.06毫米厚刀片（金刚石与青铜材质）的专用锯、PTFE切片、银浆电极、直流高压电源、带有刚玉陶瓷支撑和压头的位移控制加载系统、绝缘用硅胶，以及三维光学轮廓仪（布鲁克NPFLEX）。材料包括GaN粉末、β-Ga2O3、氨气和硅胶。
4：06毫米厚刀片（金刚石与青铜材质）的专用锯、PTFE切片、银浆电极、直流高压电源、带有刚玉陶瓷支撑和压头的位移控制加载系统、绝缘用硅胶，以及三维光学轮廓仪（布鲁克NPFLEX）。材料包括GaN粉末、β-Ga2O氨气和硅胶。 实验流程与操作步骤：
4. 实验流程与操作步骤：试样经极化、预裂纹处理后，在硅胶介质中施加电-机械复合载荷进行测试以防止放电。以0.05毫米/分钟的速率施加机械载荷直至断裂，通过电极施加电场。每种条件测试十个试样。
5：05毫米/分钟的速率施加机械载荷直至断裂，通过电极施加电场。每种条件测试十个试样。 数据分析方法：
5. 数据分析方法：根据临界载荷测量值，采用应力强度因子公式计算断裂韧性。有限元分析使用COMSOL求解应力、电场和载流子分布的控制方程。
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3-D optical profiler
NPFLEX
Bruker
Measured fractography and profile roughness.
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saw
0.06 mm-thick blade
diamond and bronze
Used to cut pre-cracks on the samples.
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PTFE slices
Fixed on the ends of samples to act as insulating layers for electrodes.
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silver paste
Plated on PTFE slices to act as electrodes.
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DC high voltage source
Applied electric field to the electrodes.
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loading system
Applied mechanical load to the specimens.
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silicone
Used to prevent discharge during electromechanical loadings.
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COMSOL
COMSOL
Used for finite element analysis to calculate stress field, electric field, and carrier distribution.
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