二维单层元素材料负纵向压电效应新机制 | 前沿快讯No.41

浙江大学物理学院陆赟豪团队在二维元素材料中发现了首个表现出负压电效应的体系——Va族单层。根据第一性原理的计算，这些材料具有巨大的负纵向压电系数。该工作将负纵向压电效应扩展到元素材料，揭示了一种新的负纵向压电效应机制，并发现了一种新的非解析行为，对功能材料的设计和器件的应用具有重要的意义。相关研究成果以Giant and Nonanalytic Negative Piezoelectric Responsein Elemental Group-Va Ferroelectric Monolayers为题，发表于《物理评论快报》Physical Review Letters, 2023, 131, 236801 上。

压电材料是一种可以将机械能转化为电能的材料，已经在压力传感器、执行器和噪声衰减器中得到了广泛的应用。压电材料的性能由压电张量来表征，压电张量的对角元素eii测量沿着应力施加方向的电极化变化量，通常是正的，因为直观来讲，拉伸应变应该增加正负电荷之间的分离，从而增强极化。长期以来，负纵向压电效应较为罕见，尽管存在像聚（偏氟乙烯）（β-PVDF）这样的例子。β-PVDF中负纵向压电效应的机制较为复杂，可能与准一维聚合物链结构以及复杂的混合晶层和非晶区域的复杂动力学有关。最近，人们对探索负压电材料的兴趣激增。理论上预言了许多三维（3D）体材料会表现出负纵向压电效应，比如六方ABC铁电体，碲卤化铋、氧化铪和一些层状铁电体。实验上，通过原位动态x射线衍射测量，在层状CuInP₂S₆中检测到了负纵向压电效应。

与此同时，人们对二维压电材料也产生了极大的兴趣。由于其高结晶度，没有悬垂键，并能够承受巨大的应变，这在构建各种具有干净的界面和容忍大晶格错配的范德华异质结构时提供了巨大的灵活性。到目前为止，已经鉴定出了几种二维铁电和压电材料。最近的一项研究提出负纵向压电效应在具有平面外极化的层状铁电体中广泛存在，其机制依赖于范德华层间间隙来吸收大部分的结构变化。虽然通过范德华层状材料的剥离可以得到二维单层，但显然，由于二维单层没有任何范德华间隙，这种机制不能在二维单层极限依然成立。那么，有没有什么新的机制可以在二维单层材料中产生负纵向压电效应呢？

本文作者通过揭示一类二维元素材料——Va族元素单层中的巨大负纵向压电效应，对上述问题进行了完美的解答。这些二维材料可通过物理气相沉积法或分子束外延方法合成。此前，它们被预测为第一个元素铁电材料，并且在最近的实验中证实了Bi单分子层的铁电性。基于第一性原理计算，本文作者发现这些迷人的二维材料也表现出大的负纵向压电效应，Bi单分子层的压电张量的对角元素e₁₁量级可超过-1000 pC/m，转换为三维单胞约为-2.8 C/m²。这里的负纵向压电效应机制不同于以前的提议，这些系统中的铁电性由一种特殊的皱褶畸变引起，这种皱褶直接受到平面内应变的影响，因此通常对压电响应是正的内应变贡献在这里变为负的。在Bi单分子层中，负的内应变贡献甚至可以超过被夹住的离子贡献而占据主导，导致显著的负纵向压电效应。此外，作者还报道了一个先前未知的现象：压电响应的非解析性，即（负）压电系数因拉伸应变和压缩应变不同。在二维 Bi中，这种差异可以达到约18%。作者发现这种奇异效应也源于皱褶驱动机制，皱褶决定了势能面的非谐性以及在拉伸和压缩情况下不同的结构刚度。该工作将负纵向压电效应扩展到元素材料，揭示了一种新的负纵向压电效应机制，并发现了一种新的非解析行为，这些结果对功能材料的设计和器件的应用具有重要的意义。

图1 二维铁电元素Va族单分子层的晶体结构和计算得到的Bi单分子层极化率随x轴施加应力的变化。斜率对应压电张量的对角元e_11。

表1 所考虑的二维单分子层材料的理论值（GeS作为参考）。

图2 负纵向压电效应不同贡献的示意图。

图3 沿x轴的势能面。

图4 （a）三种情况下Bi单层p_z轨道的投影电荷密度。（b）Bi单层的褶皱高度随应力变化。（c）沿z轴的势能面。

原文连接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.236801

编译：不言

排版：不言

美编：农民

责编：理趣

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