聊城大学王晓春教授团队：基于第一性原理，设计并预测优异面外压电性能以及面外极化开关功能的一系列二维金刚石结构

研究背景

二维材料因其超薄与柔软特性在可穿戴器件、人体健康设备等先进材料领域具有重要应用价值。二维压电材料能够轻易地捕获人们生活中被忽视的机械能并将其高效地转化为电能，在机电耦合系统以及新能源领域具有广阔的发展前景。目前已存在的二维压电材料由于普遍只表现面内压电性而缺乏面外压电性致使其应用严重受阻，因此通过理论计算设计、预测具有优异面外压电性的二维材料为解决这一问题提供了重要的指导作用。在六原子层组成的二维金刚石结构的基础上，研究者使用第一性原理计算方法，通过异层原子替换与原子层间滑移设计出了具有极强面外压电性以及面外极化开关功能的一系列二维材料。从理论角度，研究者提出了垂直方向上的玻恩有效电荷有（无）序极化相、玻恩有效电荷中心以及超偶极矩概念，很好地解释了这一系列二维纳米开关之间面外压电性强弱差异的内在物理机制，为设计出具有优异面外压电性的二维材料起到了启发作用。

成果简介

近日，聊城大学王晓春教授团队使用第一性原理计算方法设计并预测出了具有优异面外压电性能以及面外极化开关功能的一系列二维金刚石结构，以“Enhanced vertical piezoelectricity in nano-switch diamane structures by super-dipole-moment effect”为题，系统地研究了这些可以作为二维面外压电开关的结构稳定性、过渡势垒、面外压电性等基本性能，提出了垂直方向上的玻恩有效电荷有（无）序极化相、玻恩有效电荷中心、超偶极矩概念以及超偶极矩效应：这些二维金刚石结构的面外应力压电系数e₃₃随这超偶极矩的增大而增大，且e₃₃所引发的极化方向与超偶极矩方向一致。研究者发现处于垂直方向上的玻恩有效电荷有序相的二维材料普遍具有优异的面外压电性，这种极化相使得二维材料的超偶极矩显著增大，为寻找具有高性能面外压电性的二维材料提供了新的角度与平台。该成果在线发表于《Applied Physics Letters》期刊上，并被选为编辑推荐（Editor’s Pick）。论文通讯作者是聊城大学王晓春教授；第一作者是吉林大学22级硕士研究生尚骁。

图文导读

作者简介

王晓春教授，聊城大学物理科学与信息工程学院,博士生导师。目前主要从事纳米新能源材料的设计和物理机制研究。近期在纳米压电材料物理机制领域，在Nano Letters等SCI期刊上，发表文章，展示了一系列研究成果。指导的研究生获得国家奖学金5人次，指导本科生获得国家级大学生创新计划项目1人次。主持了国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金项目、国防基金项目、聊城大学高层次人才项目基金等项目。以第一作者或通讯作者在SCI期刊（Nano Letters，PRB，APL，Carbon，J MEMBRANE SCI, JPCL, JMCC, Appl. Surf. Sci., Nanoscale等）发表文章四十多篇。是SCI期刊Nature Communications，Nano today，Carbon，Nanotechnology，J. Phys. Chem.，J. Alloys Compd.等的审稿人。

尚骁，吉林大学原子与分子物理研究所硕士。曾获得吉林大学2022、2023年硕士研究生学业奖学金，被评为吉林大学原子与分子物理研究所2023年优秀研究生。目前的主要研究方向为二维压电铁电和磁性材料的设计与物理机制研究。

论文链接： https://doi.org/10.1063/5.0205846

微信公众号“电介质Dielectrics”，近日做了报道。