APL－施爾畏小組－壓電晶體結構與性能關系機理研究

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所施爾畏研究員領導的新型壓電晶體課題組揭示了閃鋅礦與纖鋅礦壓電晶體的結構與性能關系機理。相關研究結果發表在2007年9月10日出版的《應用物理快報》(Appl. Phys. Lett. 91, 112902 (2007))上。
 
一百多年前，科學家已經揭示壓電效應是由于晶體中心對稱破缺引發的，從而提出了某種晶體壓電性有無的結構判據，但對于結構不對稱性如何影響壓電效應大小，特別是結構參量與壓電常數之間的定量關系，人們仍然一無所知，也無法解釋哪些因素決定晶體壓電常數大小等基本問題。為了回答這些基本問題，揭示壓電晶體的結構與性能關系機理，該課題組利用第一原理計算和實驗表征手段對大量的壓電晶體結構與性能開展了深入研究。在約三十種III-V族和II-VI族二元化合物晶體的結構與壓電常數關系研究中，尋找到能表征偏離中心對稱程度的結構參量，發現這些晶體的壓電常數與結構參量呈簡單的線性關系，具體線性系數取決于結構和成鍵類型。此結果驗證了一個大膽的假設，壓電張量是表征晶體偏離中心對稱程度的序參量，偏離中心對稱越遠，壓電張量的模也越大。這個結果對于指導尋找壓電性能優異的新晶體非常有意義，因為對于某類結構晶體，只要找到表征偏離中心對稱程度的結構參量，不通過實驗測定或第一原理理論計算，由結構參量大小即可了解哪些晶體的壓電常數較大，從而縮小實驗范圍，縮短研制周期。目前已經在閃鋅礦、纖鋅礦以及石英類等簡單晶體結構中找到這種線性關系，今后課題組將對更多更復雜結構的壓電晶體構—效關系機理開展研究，以尋找一個普適的壓電效應構—效關系規律，指導新型壓電晶體研究。
 
以上工作得到了國家自然科學基金項目和中國科學院知識創新工程重要方向項目的資助。