APL－施尔畏小组－压电晶体结构与性能关系机理研究

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所施尔畏研究员领导的新型压电晶体课题组揭示了闪锌矿与纤锌矿压电晶体的结构与性能关系机理。相关研究结果发表在2007年9月10日出版的《应用物理快报》(Appl. Phys. Lett. 91, 112902 (2007))上。
 
一百多年前，科学家已经揭示压电效应是由于晶体中心对称破缺引发的，从而提出了某种晶体压电性有无的结构判据，但对于结构不对称性如何影响压电效应大小，特别是结构参量与压电常数之间的定量关系，人们仍然一无所知，也无法解释哪些因素决定晶体压电常数大小等基本问题。为了回答这些基本问题，揭示压电晶体的结构与性能关系机理，该课题组利用第一原理计算和实验表征手段对大量的压电晶体结构与性能开展了深入研究。在约三十种III-V族和II-VI族二元化合物晶体的结构与压电常数关系研究中，寻找到能表征偏离中心对称程度的结构参量，发现这些晶体的压电常数与结构参量呈简单的线性关系，具体线性系数取决于结构和成键类型。此结果验证了一个大胆的假设，压电张量是表征晶体偏离中心对称程度的序参量，偏离中心对称越远，压电张量的模也越大。这个结果对于指导寻找压电性能优异的新晶体非常有意义，因为对于某类结构晶体，只要找到表征偏离中心对称程度的结构参量，不通过实验测定或第一原理理论计算，由结构参量大小即可了解哪些晶体的压电常数较大，从而缩小实验范围，缩短研制周期。目前已经在闪锌矿、纤锌矿以及石英类等简单晶体结构中找到这种线性关系，今后课题组将对更多更复杂结构的压电晶体构—效关系机理开展研究，以寻找一个普适的压电效应构—效关系规律，指导新型压电晶体研究。
 
以上工作得到了国家自然科学基金项目和中国科学院知识创新工程重要方向项目的资助。