今日Nature Materials: 拉胀型压电效应@异质结界面

2023-12-01 01:12

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异质结界面天然的对称性破缺衍生出了丰富多样的物理效应和功能，如Rashba型自旋-轨道耦合、DMI交互作用、整流效应、光伏效应等，成为近半个世纪以来凝聚态物理和材料学的研究热点。最近的研究表明，界面的非中心对称性也可以在异质结中诱导出压电效应，实现机械能与电能的相互转换，称为界面压电效应【M.M. Yang, et. al., Nature 584, 377 (2020)】。相比于传统的基于体对称性破缺的压电效应，界面压电效应不在局限于非中心对称性的绝缘电介质材料，而是存在于所有具有内阻的异质结体系，即使是由中心对称半导体组成的异质结构。因此，界面压电效应极大的拓展了压电效应的研究领域和应用范畴，也为压电材料的物性调控、器件设计提供了新的契机。

近日，通过对异质结界面极性对称性的精确调控，合肥国家实验室杨明敏课题组联合英国华威大学Marin Alexe课题组与西湖大学刘仕课题组首次实现了一种名为“拉胀型压电效应”（auxetic piezoelectric effect）的现象。这种效应允许压电材料在外部电场刺激下在横向和纵向方向上同时发生收缩或膨胀，行为类似于电学上的负泊松比效应。这一发现突破传统压电材料展现出的纵向(d₃₃)与横向压电系数（d_31,d₃₂）符号相反的限制，丰富了压电效应的行为模式，为全半导体驱动器、传感器和滤波器的开发提供了新的潜力。

图1：拉胀型压电效应的唯象理论与特征。Au/Nb:SrTiO₃肖特基结的晶体取向相关的三维球极图：a)纵向压电系数 d₃₃、b)横向系数 d₃₁ 和 c) d₃₂。浅黄色表示正值，青色表示负值。示意图显示d)传统压电效应、e)拉胀压电效应和 f) II-型拉胀压电效应中在外部电场下晶格变形。橙色和浅蓝色立方体分别表示施加外部电场之前和之后的结构。

该研究团队首先通过张量计算的方式推导出了界面拉胀型压电效应的唯象理论。该理论表明可以通过调节异质结的晶体取向实现对界面压电系数大小和符号的精确调控，预言了(111)取向的Nb:SrTiO₃肖特基结可展现出“拉胀型”压电效应，其d_31,d_32,d₃₃均为正值；而(110)取向的Nb:SrTiO₃肖特基结的d_31,d₃₃为正值，而d₃₂为负值，表现为II-类拉胀压电效应。而后，该团队利用自建的高精度压电测试设备系统地验证了异质结界面的拉胀型压电现象的存在，包括正压电效应和逆压电效应。此外，实验结果表明该效应存在广泛存在于多种材料体系，还可通过构建超晶格将这一源自界面的物理效应“叠加”成为体效应。该工作表明界面对称性的精确调控可为新奇物理效应的开发与未来材料设计提供新的视角，具有巨大潜力。

该成果近日以“Auxetic piezoelectric effect in heterostructures“为题发表在Nature Materials上。第一作者为杨明敏研究员，通讯作者为杨明敏研究员和Marin Alexe教授。该工作得到了西湖大学刘仕课题组的大力支持，刘仕研究员和朱天元博士通过第一性原理计算阐明了界面拉胀压电效应的内在机理。此外，华威大学工程学院的Arne Benjamin Renz博士和Peter Michael Gammon教授为该工作提供了SiC肖特基结材料。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41563-023-01736-5

课题组简介：

杨明敏课题组专注于研究新型极性功能材料与器件，以此开发高效的能量转换效应以及非线性量子输运效应，并探索这些物理在物性表征、信息通讯以及精密测量中的应用。相关代表性工作先后发表于Science、Nature、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials等期刊。该课题组目前已经建设了样品生长、器件制备与表征实验设备，包括氧化物陶瓷（混、烧、切、抛）和外延薄膜材料制备系统（脉冲激光沉积系统）、二维材料器件制备系统（联排手套箱系统）、半导体性能表征系统（涵盖DC-24GHz频率范围）、多功能原子力显微镜、低温输运测量系统（牛津低温磁体 & PPMS）、共聚焦光电扫描显微镜（扫描范围20 um,扫描分辨率<500nm，温度范围:77-480K，电流分辨率：～pA）、高精度压电测试系统以及热释电测试系统。

该课题组常年招收优秀免推直博生。目前招聘1-2名博士后，具有以下研究经验者优先考虑：

（1）氧化物材料或二维层状材料研究经验；

（2）微纳器件制备；

（3）光电效应研究；

（4）原子力显微镜表征；

（5）压电效应与器件研究经验。详情请参考以下网址或者邮件咨询（[email protected]）：

（1）https://www.scholarset.com/recruitment/detail?id=1787

（2）http://muchong.com/bbs/viewthread.php?tid=15892309&target=1

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