铁电氧化铪负压电响应研究取得重要进展
铁电氧化铪负压电响应研究取得重要进展
压电材料是一类能够实现机械能和电能相互转换的功能材料。目前发现的大多数压电材料表现出正的纵向压电效应，即极化强度随着外部拉伸应变而增加。相比之下，对负的纵向压电效应的研究显得尤为稀缺。最近，HfO2这一材料因其被预测具有负纵向压电性而受到关注，然而，对其固有负压电效应起源的理解以如何通过有效手段调控其压电系数仍缺乏系统的理论研究。
图1：铁电氧化铪中的负压电响应
来自上海交通大学的朱虹教授团队，通过引入c方向阳离子周围加权投影键合强度（WPBc）的概念，来定量表征沿应变方向的不对称键合刚度，从而揭示了铁电氧化铪中负纵向压电响应的起源。他们通过分析阳离子周围的键合环境，他们发现当WPBc与体自发极化方向反平行时，极化会随着拉伸应变而减小，从而导致负压电性。为了验证这一结论的普适性，同时探究WPBc对压电系数的影响，他们进一步在掺杂HfO2中进行了系统性的探究。在计算掺杂体系压电系数之前，该研究首先采用两步筛选法在49个掺杂元素中获得了26个有利于稳定铁电氧化铪的元素。
图2：掺杂元素对氧化铪相稳定性的影响
接着对这26个掺杂HfO2体系的压电系数和键合环境进行了分析，其中Pb, Rh和Sn对氧化铪的压电系数起到增强作用。不同于本征HfO2中单一的键合环境，掺杂会造成阳离子周围键合环境的不同。该研究发现WPBc波动较大的体系所对应的压电系数普遍较小。同时平均WPBc的正负也与压电系数的正负显示出相关性。
图3：掺杂氧化铪的e33计算值及阳离子WPBc分布
为了建立WPBc和压电系数间直接关系，他们采用WPBc的标准差（STD-WPBc）来定量描述阳离子周围的局部键合波动，用平均WPBc来描述阳离子整体的成键方向和强度。结果表明，平均WPBc越负，STD-WPBc越小，压电响应越强。该研究为理解压电响应机制提供了新思路，并且可以用来筛选新的有前景的压电材料。
图4：键合环境对e33的影响及潜在候选材料
这项研究不仅揭示了铁电氧化铪中负纵向压电效应的起源，还为设计和筛选新型压电材料提供了理论指导。研究结果表明，通过调控阳离子周围的键合环境，可以实现对压电系数的有效调控，为开发高性能压电材料开辟了新的研究方向。
本文原文来自npj Computational Materials期刊，原文标题为"Understanding and tuning negative longitudinal piezoelectricity in hafnia"。