微纳米压电材料尺寸效应的物理机理研究

With the rapid development of nanotechnology in recent years, researchers found in experiments that for many piezoelectric materials, their piezoelectric properties examined within micro-nano-scale samples vary significantly from corresponding bulk materials. It is even seen that with decreasing sample size, obvious piezoelectric-like phenomenon is observed in bulkly non-piezoelectric materials. These findings provide an opportunity for a new round of development for nano-scale smart devices, yet the hidden physical mechanism is not clear so far. This project aims at uncovering the physical mechanism of the size effect in micro-nano-scale piezoelectric materials with combined first principle calculation and experimental observation. Based on the result, a thermodynamics model with size effect for piezoelectric materials is built, by which we can predict the effective electromechanical coupling coeffecients for any micro-nano-sized materials from their bulk piezoelectric constants and some mechanical and electric boundary conditions. The project is expanded into two parts, one on the size effect of traditional piezoelectric materials with micro-nano-scale; the other on the physical mechanism and critical size of new piezoelectric materials showing piezoelectric-like phenomenon at micro-nano-scale. The research of this project has the characteristics of multi physics and multi-scale; intensive study of the project will help the mutidisciplinary development of classic mechanics, functional materials science and condensed matter physics.

随着近年纳米技术的发展，研究人员在实验中发现微纳米尺度下许多压电材料的压电性能与对应体材料相比存在显著差异，甚至一些原本不具备压电性能的体材料随着尺寸的降低与力学载荷形式的变化可能引发显著的类压电效应。这一发现有望推动纳尺度智能器件产业的新一轮发展，而其中的物理机制至今尚不明确。本项目拟利用第一性原理计算与实验观测相结合的手段揭示微纳米压电材料尺寸效应的物理机理，并在此基础上构建包含尺寸效应的压电材料热力学模型，达到通过体材料相关系数以及表面边界条件预报对应微纳尺度材料力电耦合系数的目的。项目分两部分展开，一是针对传统压电材料在微纳尺度下的尺寸效应的研究，二是针对在纳尺度下出现类压电效应的新型压电材料物理机理与临界尺寸的研究。本项目的研究具备多物理、多尺度的特点，对此进行深入研究有助推动传统力学、功能材料科学以及凝聚态物理学科的交叉发展。

微纳米尺度下许多不同类型的新颖功能材料表现出奇异的压电性能，与对应体材料的性质差异巨大，从而引发人们近年来的广泛关注。这些新奇的压电效应与材料尺寸的变化关系紧密，然而其背后的物理机制在多数情况下是未知的。考虑到器件小型化的趋势以及压电效应在不同领域内广泛的应用背景，构建基于微观理论的材料压电性能尺寸效应的预报模型具有重要意义。在本项目的支持下，课题组针对二维材料、铁电及多铁功能材料、以及手性斯格明子材料等三类微纳米功能材料中压电性的尺寸效应展开了系统研究。针对二维材料，推导了基于压电拓扑陈数理论的压电系数解析解，在此基础上构建了二维六方晶体的压电及力电耦合关联的微观理论，与此同时系统研究了二维材料以及准二维材料的存在性准则及薄板模型的有效性。针对铁电及多铁量子结构，我们研究了力电载荷下铁电涡流畴结构稳定性，以及铁隧道结极化稳定及界面磁电耦合特性。针对斯格明子材料，我们构建了“力-斯格明子”相互作用的普适性理论，并以此为基础研究了其在外力作用下的形变、稳定性变化等行为。基于这些结果，我们分类建立了不同系统中压电材料尺寸效应的有效理论。在本项目资助下，课题组研究成果已发表及即将发表的SCI收录学术论文共计30余篇。总体而言，我们基本完成了本项目的既定方案和目标，研究结果更为进一步探讨更加普适的压电性能尺寸效应的一般理论提供理论基础。