基于客观性分子动力学的纳尺度压电材料挠曲电效应机理研究

Flexoelectricity, a two-way electromechanical coupling between the polarization and strain gradient, has been extensively investigated due to its applications ranging from MEMS/NEMS to energy harvesting. It has been shown flexoelectricity may become appreciable at nanoscale. The atomistic viewpoint is essential to understand its micromechanism and physical behavior in such scale. However, flexoelectricity necessarily requires imposing strain gradients and thus precludes the use of periodic boundary condition, which is typically employed by traditional atomistic simulations and only applies on structures with translational symmetry. In this project, we propose to develop a so-called objective molecular dynamics simulation method based on objective boundary condition, which has properties of both translational symmetry and rotational symmetry, and effectively solve the difficulty of applying the strain gradient. Then, we use this method, together with first-principle simulation as well as theoretical analysis, to systematically study the dependence of the flexoelectricity on temperature and search for a certain way to introduce the defects and dopants to enhance the flexoelectricity. This work will provide a theoretic foundation for using piezoelectricity in wider temperature range, and designing high-performance nanoscale piezoelectric structures. It has significant impacts on reducing size of nano-devices and enhancing the piezoelectric energy harvesting.

挠曲电效应是一种关联电极化与应变梯度的双向力-电耦合效应，因在微纳机电系统及能量俘获等方面有广阔的应用前景而受到持续关注。研究表明挠曲电效应在纳米结构中会显著增强，在这一尺度，原子模拟是研究其微观机理及物理行为的关键方法。然而传统原子模拟方法所使用的周期性边界条件，仅适用于平移对称性结构的研究，因而阻碍了应变梯度的施加。本项目拟发展一种基于客观性边界条件，同时实现平移对称和旋转对称映射的客观性分子动力学方法，解决挠曲电效应原子模拟中应变梯度施加的难题。采用此方法与第一性原理计算及理论分析相结合，同时考虑尺寸效应、静电力作用，深入系统地研究纳米压电材料中的挠曲电效应。揭示其对温度的依赖性规律并分析其中机理，探索如何通过引入缺陷、夹杂等增强挠曲电效应。本项目的研究将为扩大压电效应使用温度范围，设计高性能压电材料提供理论依据，对进一步缩小功能器件尺寸，提高压电能量俘获有着重要意义。

近年来，挠曲电效应因在微纳机电系统、传感器、能量俘获等领域被发现有着极为广泛的应用前景而受到学者们的持续关注。与压电效应不同，该效应表征电极化与应变梯度或者电场梯度与应力之间的线性耦合关系。该效应不受材料本征结构是否中心对称的限制，理论上普遍存在于所有介电材料甚至半导体材料中，正是这一优点赋予其更广泛的应用领域。然而通过学习前人研究结果发现，表征材料挠曲电效应强弱的重要物性参数为挠曲电系数，是一四阶张量，内含81个分量（针对对称性极高的材料也至少含3个分量）。这给实验测定完整系数分量及其对外界环境的依赖带来一定的难度，而理论预测或数值模拟提供了有效解决途径。基于这一背景，本项目采用理论推导与原子模拟两种方法相结合进行了相关计算研究。本项目通过修改完善现有计算方法中的周期性边界条件，提出能够快速准确地计算挠曲电效应系数的方法；通过理论分析发现纳米结构中表界面效应对其应力及变形分布有显著影响，尤其是含表面的纳米结构中的表面张力和表面弯曲刚度等常数对挠曲电效应的影响不可忽略；基于上述结论和研究方法，本项目通过合理构造低维纳米异质结构，合理引入表界面缺陷，深入系统地研究了系列低维纳米结构（氧化锌，过渡金属硫化物，黑磷等层状纳米材料）的有效压电效应，即引入挠曲电效应从而增强体系压电效应，并对其中机理进行了细致的分析；再者，基于设计的挠曲电效应本项目还研究了其对电极结构中离子扩散行为的影响，发现合理设计挠曲电效应可有效降低势能垒促进离子扩散。本项目的研究结果为进一步提高基于纳米材料的能量俘获器件的效率提供理论依据，并提出了利用挠曲电效应对纳米结构的电-化学等性质进行调控，为其在传感器等领域的应用提供了可能性。