Polarization-gradient Engineering of InGaN Nanorods for Hybrid Mechanical-optical Energy Harvesting, ACS Nano, 20, 36(2026)
解析 InGaN 奈米柱極化梯度所誘發之載子分布及其對機械與光學混合能量擷取的影響
Sheng-Shong Wong, Zhen-You Lin, Ya-Chi Chiu, Ming-Hao Lee, Ming-Wen Chu, Chia-Hao Chen*, and Chung-Lin Wu*
2026/11/10
為提升奈米能源元件效能，本研究提出以氮化銦鎵（InGaN）混晶成分梯度調控內建極化場的方式，透過電漿輔助分子束磊晶技術，於矽基板上製備具相反銦含量梯度的InGaN奈米柱，包括由底部至頂部銦含量逐漸增加（In-increasing）與逐漸降低（In-decreasing）兩種。由於三族氮化物具有自發極化特性，成分梯度方向可決定極化束縛電荷分布，進而影響內部載子累積、耗盡及能帶彎曲。為釐清其物理機制，本研究利用同步輻射角度解析硬X光光電子能譜（AR-HAXPES），分析不同出射角下的N 1s核心能階，重建奈米柱的深度解析電子結構。實驗數據顯示，銦含量遞增樣品呈現電子累積（Electron accumulation）及約−0.51 eV的能帶彎曲；銦含量遞減樣品則呈現電子空乏（Electron depletion）及約+0.56 eV的相反能帶彎曲。將奈米柱整合為垂直式奈米發電機，在相同機械負載下，銦含量遞增元件產生約3.1 V的輸出電壓，高於銦含量遞減元件的約56 mV；在紅光與綠光照射下，兩種梯度結構亦分別展現輸出增強與抑制的差異。研究結果說明，成分梯度所建立的極化電荷分布及載子屏蔽效應，是決定機械－光學混合能量擷取效率的重要因素，也展現同步輻射深度解析光電子能譜對奈米能源元件設計與優化的價值。
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