Science Advances在线报道工学院董蜀湘课题组在压电超材料研究方面的重要进展

近半个世纪以来,以集成半导体为代表的有源器件和以各类功能陶瓷材料为基础的有源与无源器件深刻地改变了人类社会。作为广泛存在的分布式智能传感、换能与供能,以及微纳米精密驱动的基础材料,压电陶瓷材料及其应用技术在民用和国防领域发挥着关键性的作用。然而由于受限于本征的6mm点群对称性,天然压电陶瓷的压电应变矩阵(描述压电材料将电场转化为应变输出的能力;三阶张量;具有18个矩阵元,即压电应变系数dij)中只有5个非零的矩阵元。多年以来,几乎所有的研究工作都聚焦在如何合成新材料和如何提高5个已有的压电系数;尽管已有学者开始意识到个别非零的压电系数矩阵元的存在,但一直缺乏一个系统的理论研究。因此,在压电学基础领域,每一次重要的进展都举步维艰,这限制了压电器件的设计和进一步的发展空间。

新型机电耦合超材料设计可以产生非零的全部18个压电系数

近日,《科学》子刊Science Advances以研究长文-物理科学(Research Article-Physical Sciences)的形式,以Designing electromechanical metamaterial with full nonzero piezoelectric coefficients(DOI:10.1126/sciadv.aax1782)为题,报道了北京大学董蜀湘课题组在这一领域独辟蹊径的研究探索和取得的重要进展。

不同于传统上通过掺杂改性化学方法提高压电性能,该研究工作受凝聚态物理学中对称性原则的启发,将超材料有序功能基元设计思想引入压电陶瓷设计,通过精巧的拓扑和几何设计得到的新型机电耦合超材料从表观上打破了压电陶瓷本征的对称性,首次实现全部非零的18个压电应变系数单元,而且部分单元表观压电系数测量值比自然压电系数高出一个数量级以上,打破了传统上70多年来压电陶瓷材料只有5个非零压电系数dij的认知,给压电器件未来发展带来全新设计思路。该工作被审稿人评价为“Will have a significant impact on various piezoelectric technologies (将对各种压电技术产生重要影响)”。对称性破缺是很多物理现象的背后机制(如超导、反铁磁性),但是从微观上构筑新型可控的破缺对称性十分艰难,该工作通过宏观基元设计打破表观对称性,实现超常物理参数及性能强化的思路对于创造新型多场耦合超材料具有很好的启发意义。

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通过超材料设计表观上打破6mm对称性,得到的非零的、拥有全部18个矩阵元的压电超材料

该论文的第一作者是北京大学工学院2016级博士生杨继昆,董蜀湘是论文唯一通讯作者。清华大学王晓慧教授、周济院士参与了本课题的研究;清华大学李龙土院士对本课题给予了支持。这项研究获得国家自然科学基金委(51772005,51132001)资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支持。

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