科研新聞

Science Advances在線報道北京大學工學院董蜀湘課題組在壓電超材料研究方面的重要進展

2019-11-09

近半個世紀以來,以集成半導體為代表的有源器件和以各類功能陶瓷材料為基礎的有源與無源器件深刻地改變了人類社會。作為廣泛存在的分布式智能傳感、換能與供能、以及微納米精密驅動的基礎材料,壓電陶瓷材料及其應用技術在民用和國防領域發揮著關鍵性的作用。然而由于受限于本征的6mm點群對稱性,天然壓電陶瓷的壓電應變矩陣(描述壓電材料將電場轉化為應變輸出的能力;三階張量;具有18個矩陣元,即壓電應變系數dij)中只有5個非零的矩陣元。多年以來,幾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個已有的壓電系數;盡管已有學者開始意識到個別非零的壓電系數矩陣元的存在,但一直缺乏一個系統的理論研究。因此,在壓電學基礎領域,每一次重要的進展都舉步維艱,這限制了壓電器件的設計和進一步的發展空間。


新型機電耦合超材料設計可以產生非零的全部18個壓電系數

近日,《科學》子刊Science Advances以研究長文-物理科學(Research Article-Physical Sciences)的形式報道了北京大學董蜀湘課題組在這一領域獨辟蹊徑的研究探索和取得的重要進展。論文題目為:Designing electromechanical metamaterial with full nonzero piezoelectric coefficients(DOI: 10.1126/sciadv.aax1782),原文鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/5/11/eaax1782 。不同于傳統上通過摻雜改性化學方法提高壓電性能,該研究工作受凝聚態物理學中對稱性原則的啟發,將超材料有序功能基元設計思想引入壓電陶瓷設計,通過精巧的拓撲和幾何設計得到的新型機電耦合超材料從表觀上打破了壓電陶瓷本征的對稱性,首次實現全部非零的18個壓電應變系數單元,而且部分單元表觀壓電系數測量值比自然壓電系數高出一個數量級以上,打破了傳統上70多年來壓電陶瓷材料只有五個非零壓電系數dij的認知,給壓電器件未來發展帶來全新設計思路。該工作被審稿人評價為“Will have a significant impact on various piezoelectric technologies (將對各種壓電技術產生重要影響)”。對稱性破缺是很多物理現象的背后機制(如超導、反鐵磁性),但是從微觀上構筑新型可控的破缺對稱性十分艱難,該工作通過宏觀基元設計打破表觀對稱性,實現超常物理參數及性能強化的思路對于創造新型多場耦合超材料具有很好的啟發意義。


通過超材料設計表觀上打破6mm對稱性,得到的非零的、擁有全部18個矩陣元的壓電超材料

該論文的第一作者是北京大學工學院2016級博士生楊繼昆,董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。清華大學王曉慧教授、周濟院士參與了本課題的研究;清華大學李龍土院士對本課題給予了支持。這項研究獲得國家自然科學基金委(51772005,51132001)資助、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室的支持。

 

 
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