微納米壓電材料尺寸效應的物理機理研究

《微納米壓電材料尺寸效應的物理機理研究》是依託中山大學，由王彪擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微納米壓電材料尺寸效應的物理機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王彪
• 依託單位：中山大學

中文摘要

隨著近年納米技術的發展，研究人員在實驗中發現微納米尺度下許多壓電材料的壓電性能與對應體材料相比存在顯著差異，甚至一些原本不具備壓電性能的體材料隨著尺寸的降低與力學載荷形式的變化可能引發顯著的類壓電效應。這一發現有望推動納尺度智慧型器件產業的新一輪發展，而其中的物理機制至今尚不明確。本項目擬利用第一性原理計算與實驗觀測相結合的手段揭示微納米壓電材料尺寸效應的物理機理，並在此基礎上構建包含尺寸效應的壓電材料熱力學模型，達到通過體材料相關係數以及表面邊界條件預報對應微納尺度材料力電耦合係數的目的。項目分兩部分展開，一是針對傳統壓電材料在微納尺度下的尺寸效應的研究，二是針對在納尺度下出現類壓電效應的新型壓電材料物理機理與臨界尺寸的研究。本項目的研究具備多物理、多尺度的特點，對此進行深入研究有助推動傳統力學、功能材料科學以及凝聚態物理學科的交叉發展。

結題摘要

微納米尺度下許多不同類型的新穎功能材料表現出奇異的壓電性能，與對應體材料的性質差異巨大，從而引發人們近年來的廣泛關注。這些新奇的壓電效應與材料尺寸的變化關係緊密，然而其背後的物理機制在多數情況下是未知的。考慮到器件小型化的趨勢以及壓電效應在不同領域內廣泛的套用背景，構建基於微觀理論的材料壓電性能尺寸效應的預報模型具有重要意義。在本項目的支持下，課題組針對二維材料、鐵電及多鐵功能材料、以及手性斯格明子材料等三類微納米功能材料中壓電性的尺寸效應展開了系統研究。針對二維材料，推導了基於壓電拓撲陳數理論的壓電係數解析解，在此基礎上構建了二維六方晶體的壓電及力電耦合關聯的微觀理論，與此同時系統研究了二維材料以及準二維材料的存在性準則及薄板模型的有效性。針對鐵電及多鐵量子結構，我們研究了力電載荷下鐵電渦流疇結構穩定性，以及鐵隧道結極化穩定及界面磁電耦合特性。針對斯格明子材料，我們構建了“力-斯格明子”相互作用的普適性理論，並以此為基礎研究了其在外力作用下的形變、穩定性變化等行為。基於這些結果，我們分類建立了不同系統中壓電材料尺寸效應的有效理論。在本項目資助下，課題組研究成果已發表及即將發表的SCI收錄學術論文總計30餘篇。總體而言，我們基本完成了本項目的既定方案和目標，研究結果更為進一步探討更加普適的壓電性能尺寸效應的一般理論提供理論基礎。