《Physical Review Letters》新型高性能压电材料重要进展

图一 （a）ScB3C3的晶体结构；（b）B-C构成的高对称截角八面体笼型结构；（c）能量-畸变的双势井曲线；（d）ScB3C3的极化强度。

图二 （a）势能-畸变幅度曲线；（b）不同畸变模的二维势能面；（c）c55与d15随应变η2的变化；（d）η2与η5的二维势能面；（e）不同材料的d15对比；（f）Y取代后正交相与三方相的能量差。

为探索新型压电材料，朱建国教授团队利用第一性原理计算方法计算了稳定轻质碳硼笼形化合物ScB3C3的压电性，证实了正交Ama2为ScB3C3的基态相结构，Sc靠近B-C六边形共边。由于B-C框架产生的较高纵向弹性刚度常数，其压电常数d33较低，但ScB3C3的剪切弹性常数较低，剪切压电常数d15可达244 pC/N。通过二维势能面识别出在Ama2与R3c结构之间存在一条平坦的势能山谷，其高剪切压电常数与从Ama2向R3c结构的极化旋转密切相关。通过对晶格参数b进行拉伸，发现其势能面可以进一步平坦，在晶格应变为1.25%时得到极低的剪切刚度常数，并产生9424 pC/N的超高剪切压电系数d15。此外，除晶格应变外，还可以通过化学取代这一实验上更加可行的方式去实现ScB3C3中的MPB，研究表明Y取代Sc的含量为25%时可以实现基态相结构从Ama2到R3c的转变。分子动力学模拟表明ScB3C3这一铁电体中存在类似BaTiO3的温致铁电相变，其Ama2结构在约160 K时转变为R3c结构。该研究以ScB3C3为例展示了在B-C笼状结构中实现高压电性的巨大潜力，着重强调了大极化强度与高度对称的多面体结构对产生高剪切压电常数的重要性，指明了开发新一代非钙钛矿结构高性能压电材料的可能途径。