Origins of large enhancement in electromechanical coupling for nonpolar directions in ferroelectric BaTiO3
利用原位中子能谱研究了铁电BaTiO_3中沿非极性晶向压电耦合增强的原因。据观察，施加远离平衡极化方向的电场引起的声子谱的变化，导致增加在布里渊区中心附近的横向声学和横向光学分支（TA-TO）之间的相互作用。这为增强机电耦合提供了直接的晶格动力学机制，并且可以作为设计改进的压电材料的指导。
2013-06-20 cond-mat.mtrl-sci
Texture- and Stress-Dependent Electromechanical Response in Ferroelectric PZT: Insights from a Micromechanical Model
本文构建耦合织构、残余应力、四方/菱方畴翻转及相间转变的PZT细观力学模型，复现关键压电响应趋势并提供开源MATLAB设计工具。
2025-05-16 cond-mat.mtrl-sci
Generalized relation between electromechanical responses at fixed voltage and fixed electric field
本文给出了在固定电压和固定电场下测得的任意阶微应变和电场的机电耦合之间的一般关系。我们发现，在固定场的不当响应可以写为$n^{\text{th}}$阶极化率张量的应变导数，在固定电压降的适当响应可以写为在固定场的响应加上应变引起的膨胀和90 $^{\circ}$旋转的校正。我们的理论正确地再现了适当的压电响应，我们超越了电致伸缩响应。我们提出的第一性原理计算的不当电致伸缩响应在固定的字段，并说明如何使用的校正，以获得适当的响应在固定的电压。这种区别是非常重要的，因为最近的兴趣在巨型电致伸缩器表现出机电响应大的压电的。
2022-10-25 cond-mat.mtrl-sci
Electromechanical properties of the 180° domain wall in PbTiO3
Institute of Physics of the Czech Academy of Sciences（捷克科学院物理研究所）；University of Vienna（维也纳大学）
研究PbTiO3中180度域墙的机电性能，发现梯度电致伸缩主导其响应，支持在LGD模型中纳入该效应以稳定Bloch型域墙结构。
2025-12-17 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale Simulations of Defect Dipole-Enhanced Electromechanical Coupling at Dilute Defect Concentrations
缺陷在铁电氧化物等离子-共价键混合固体中的作用是复杂的。目前对单缺陷水平上缺陷对铁电性能的理解大多停留在经验水平，许多缺陷介导的极化开关过程的详细原子机制尚未从量子力学上令人信服地揭示。利用大尺度分子动力学模拟了BaTiO 3在一般缺陷偶极子存在下的极化-电场（P-E）和应变-电场（{ $ε$ }-E）磁滞回线，并提供了缺陷偶极子增强机电耦合的详细原子图像。我们开发了一个通用的基于第一性原理的原子模型，使宏观铁电性能和偶极杂质的不同取向，浓度和偶极矩之间的关系的定量理解。我们发现偶极缺陷相对于外场的集体取向是强烈影响材料硬化/软化和机电耦合的关键微观结构特征。我们表明，一个小的浓度（0.1原子%），的缺陷偶极子显着提高机电响应。这提供了一个机会，以提高廉价的多晶铁电陶瓷的性能，通过缺陷偶极子工程的一系列应用，包括压电传感器，致动器和换能器。
2017-07-25 cond-mat.mtrl-sci
Electromechanical Probing of Ionic Currents in Energy Storage Materials
储能材料中的电化学过程通常与主体化合物的摩尔体积的变化有关。在这里，一维电化学活性系统的频率依赖的应变响应周期性的电偏压进行了分析。这些电化学应变测量的灵敏度和分辨率相比，基于电流的电化学阻抗谱。分析了基于干涉和原子力显微镜的系统在纳米尺度上探测电化学反应的分辨率和检测限。
2010-04-23 cond-mat.mtrl-sci
Landau-Ginzburg-Devonshire theory for electromechanical hysteresis loop formation in piezoresponse force microscopy of thin films
研究了压电响应力显微术中铁电薄膜电滞回线的形成，着重研究了针尖尺寸和薄膜厚度对电滞回线的影响，以及针尖电压频率对电滞回线的影响。在这里，我们使用一个组合的Landau-Ginzburg-Devonshire（LGD）理论的局部极化反转的描述与去耦近似的计算的局部piezosesponse回路的形状，矫顽电压和振幅。LGD方法能够解决磁滞回线形成的热力学和动力学。与“刚性”铁电近似相反，这种方法允许压电张量分量依赖于铁电极化和介电常数。该模型合理化的非经典形状的动态压电力显微镜（PFM）的循环。
2010-11-28 cond-mat.mtrl-sci
Modulating Peierls distortion of 1T_prime MoS2 via charge doping: a new charge density wave phase, reversible phase transition, and excellent electromechanical properties
过渡金属二硫属化合物（TMD）的1 T ′相是一种低对称性的电荷密度波（CDW）相，可以看作是高对称性1 T相的周期性畸变结构（Peierls畸变）。本文利用密度泛函理论（DFT）计算，研究了正电荷（空穴）注入对MoS 2 1T_prime的Peierls畸变的调制作用.当空穴掺杂浓度为~ 0.10h+/atom时，发现了一种新的稳定的CDW相，命名为1Tt_prime。空穴的充放电可以引起MoS 2在1 T、1T_prime和1Tt_prime三相之间的可逆相变。这种可逆的相变导致优异的机电性能，包括高达-5.8%的应变输出，具有小的磁滞回线、多阶超弹性和多形状记忆效应，这在纳米级的有源机电器件设计中是有价值的。对空穴掺杂下电子结构的变化进行了深入的分析，以理解新的CDW相和观察到的相变。使用电荷掺杂来调制二维材料中的Peierls畸变可以作为纳米活性物质设计的一般概念。
2019-12-16 cond-mat.mtrl-sci
Modelling of Nonlocal Effects in Electromechanical Nano-Switches
介电纳米开关的材料，表现出显着的机电耦合的压电和/或挠曲电性能被认为是。在这种情况下，即使在非压电体中，不均匀的应变场也可能局部破坏反演对称性并诱导极化。在纳米尺度下，挠曲电效应表现出介电材料的非局域性，比压电效应起着更重要的作用。通过电焓密度中的附加项耦合应变梯度和极化，考虑了挠曲电效应。得到了改进的Euler-Bernoulli梁模型和Brachshenko梁模型的运动方程以及二维板理论的运动方程。
2010-02-13 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field thermo-electromechanical modelling of lead-free BNT-based piezoelectric materials
针对无铅BNT基压电材料复杂相结构影响热-机电行为的问题，构建了二维相场热-机电计算模型，经实验验证可准确模拟其相变与畴翻转，助力相关器件应用。
2024-10-06 cond-mat.mtrl-sci
Theory of charge density wave depinning by electromechanical effect
我们讨论了第一理论的退钉低维，无公度，电荷密度波（CDW）在强电子-声子（e-p）制度。争论，大多数真正的CDWS系统总是开发一个巨大的介电常数（GDC）在非常低的频率，我们提出了一个机电机制，这是基于局部场效应。在零电场和足够大的e-p耦合下，由于晶格的离散性，结构自然地被晶格钉扎，并发展出以不连续为特征的调制函数。当电场被打开时，我们表明，它存在一个有限的阈值的电场以上的调制函数的不连续性消失，由于CDW变形。然后CDW可以自由移动。通过使用非弹性中子或X射线实验，可以在声子谱中直接观察到作为增加的电场的函数的这种钉扎/脱钉扎转变的特征。
2017-02-15 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale structure and mechanism for enhanced electromechanical response of highly-strained BiFeO3 thin films
应变诱导结构相变在BiFeO 3的纳米结构演化的检查。使用高分辨率的X射线衍射和扫描探针显微镜为基础的研究，我们已经独特地确定和检查了许多阶段存在于这些相边界，并发现了一个中间单斜相除了以前观察到的菱面体和四方体状相。进一步的分析已经确定，这些膜的所谓的混合相区域不是菱面体和四方体状相的混合物，而是高度扭曲的单斜相的紧密混合物，没有证据表明存在菱面体状母相。最后，我们提出了一种机制，在这些薄膜中，包括这些阶段如何在纳米级相互作用，产生大的表面应变的增强机电响应。
2011-05-20 cond-mat.mtrl-sci
Giant electromechanical response from defective non-ferroelectric epitaxial BaTiO3 integrated on Si 100
显示出与常规弛豫铁电体相当或比常规弛豫铁电体更好的大机电响应的无铅硅兼容材料对于各种纳米机电器件和应用是期望的。缺陷工程电致伸缩最近已经得到普及，以获得在100 Hz以下的频率增强的机电响应。在这里，我们报告的记录值的电致伸缩应变系数（M31）在频率高达5 kHz（1.04 × 10-14平方米每V2在1 kHz，和3.87 × 10-15平方米每V2在5 kHz）使用A位和缺氧钛酸钡薄膜，外延集成到Si上。该效果是稳健的，并且即使在使装置循环>5000次之后也保持。我们的钙钛矿薄膜是非铁电的，与化学计量的BaTiO 3相比具有不同的对称性，并且其特征在于孪晶边界和纳米极状区域。我们表明，所产生的缺陷引起的功能的介电弛豫相关性非常好，与所观察到的超电致伸缩响应。这些薄膜显示出大的热膨胀系数（2.36 × 10-5/K），这与巨大的M31一起意味着由缺陷引起的晶格非谐性的显著增加。我们的工作提供了一个关键的一步，制定指导方针，工程师大机电响应，即使在更高的频率在无铅薄膜。
2023-03-06 cond-mat.mtrl-sci
Electromechanical actuation of pristine graphene and graphene oxide: origin, optimization, and comparison
众所周知，机电设备的小型化将在未来几十年内给人类带来一场革命，其影响与以前的电子设备小型化的影响同义。机电致动器-将电能转换为机械变形或运动的装置-是许多此类装置的核心部件。因此，对微、微和纳米致动的研究已经并将继续变得越来越重要。挑战在于，致动器在小尺寸尺度下的行为与宏观尺度下的行为有很大不同。我们不能简单地将传统致动器的尺寸从宏观尺度缩小到微米/纳米尺度。此外，传统的致动材料（例如压电陶瓷和记忆合金）在以小的长度尺度制造时具有差的性质和性能。迫切需要发现小长度尺度的新型驱动材料。本文将综述石墨烯基驱动材料的最新进展。我们将集中在不同的驱动物理机制，这种最知名的二维材料。深入的物理理解和见解将为石墨烯基致动器的进一步优化/开发奠定基础。它们也可以为其他二维致动材料和致动器的设计和开发提供有价值的知识。
2019-03-07 cond-mat.mtrl-sci
Super-R BiFeO$_3$: Epitaxial stabilization of a low-symmetry phase with giant electromechanical response
压电体将机械能和电荷相互转换，并广泛用于致动器和传感器。性能最好的材料是在准同型相界（MPB）的铁电体，其中几个相可以紧密共存。通过电场在这些相位之间切换产生大的机电响应。在铁电体BiFeO $_3$中，应变可用于产生MPB样相混合物，从而产生大的电场依赖性应变。然而，这种增强的响应发生在膜的局部的、随机定位的区域，这可能使纳米器件设计复杂化。在这里，我们使用外延应变和取向工程串联-各向异性外延-工艺迄今为止不可用的低对称相的BiFeO $_3$，其作为菱面体状和四边形状多晶型物之间的结构桥梁。干涉位移传感器测量和第一原理计算表明，在外部电偏压下，该相经历了向四边形多晶型物的过渡，产生了超过200%的压电响应增强，以及相关的巨场诱导可逆应变。这些结果为在薄膜中设计巨大的机电性能提供了一条新的途径，为其他功能氧化物系统提供了更广阔的前景。
2021-01-31 cond-mat.mtrl-sci
Study of domain switching using piezoresponse force microscopy in Ca0.4Sr0.6Bi4Ti4O15 thin film for electromechanical applications
本研究利用PLD技术合成了高质量c轴取向的CSBT薄膜，通过PFM证实其具有完全的畴反转能力和约120 pm/V的高有效d33*值，展现出在机电应用中的巨大潜力。
2018-09-29 cond-mat.mtrl-sci
Electromechanical dopant defect interaction in acceptor doped ceria
氧缺陷的氧化铈表现出非经典的巨大的机电响应，是优于铅基电致伸缩。在这项工作中，我们报告的关键作用的受主掺杂剂，具有不同的大小和价态Mg 2+，Sc 3+，Gd 3+，和La 3+，在多晶块体氧化铈。不同的掺杂剂通过改变电空间掺杂剂缺陷相互作用来调节电致伸缩特性。当相互作用较弱时（空位结合能为0.3eV），薄膜的电致伸缩系数较高，可达10 ~（-17）m ~ 2 V ~（-2），并具有很强的时间依赖性。相比之下，我们没有观察到时间依赖性的影响时，相互作用变得很强0.6 eV。
2021-02-10 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
The origins of electromechanical indentation size effect in ferroelectrics
金属在压痕时表现出尺寸依赖性硬化。近年来，人们对这种现象的机制进行了深入研究。这种尺寸效应是否也存在于铁电体的机电行为中？若有，运作机制为何？我们对钛酸钡的实验确实表明了机电尺寸效应。我们认为，通过理论计算和微分实验上的另一个非铁电压电（石英），flexoelectric现象（而不是位错活动）是负责我们的观察。挠曲电性是应变梯度与极化的耦合，存在于普通压电陶瓷和压电陶瓷中。特别是，铁电体表现出异常大的挠曲电响应。
2009-04-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electromechanical coupling in Yb-substituted III-V nitride alloys
III族氮化物合金目前用于各种微波通信应用中，因为在与岩盐氮化物（例如YbN或ScN）合金化之后机电耦合的巨大增强。本文通过理论计算和实验研究了纤锌矿型III-V族氮化物中Yb替代引起的机电耦合增强效应。置换引起的机械软化和局部应变可以增强机电耦合。Yb替代引起的力学软化对母体AlN或GAN的依赖性较小，这是由Yb-Yb对在c轴方向上的相互作用引起的，GAN基和AlN基合金之间的机电耦合差异主要来自Yb替代对压电响应的增强效应。在GaN基合金中观察到相对于母体氮化物的压电响应的最大变化，这主要被认为是母体GAN的小压电常数的结果。我们的计算还表明，具有更接近的离子尺寸的替代元素的主机阳离子更容易取代到主机氮化物，并产生更大的内部应变，部分有助于提高压电响应。这可以作为一个简单的指导方针，以确定合金成分在寻找机电耦合的大量增加。
2022-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Stacking polymorphism in PtSe$_2$ drastically affects its electromechanical properties
PtSe $_2$是下一代压阻式传感器最有前途的材料之一。然而，由于多晶性，大规模合成具有可再现机电性能的均匀薄膜是具有挑战性的。我们表明，堆叠相以外的AA-堆叠在1 T相成为在高温下可利用的。我们发现，这些可以弥补一个显着的分数在多晶薄膜和讨论的方法来表征这些堆叠相。最后，我们估计他们的规范因素，这变化强烈，显着影响纳米机电设备的性能。
2022-01-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Origin of Enhanced Electromechanical Coupling in (Yb,Al)N Nitride Alloys
我们的实验表明，合金化的纤锌矿相氮化铝的结果在明确的机械软化和增强的机电耦合的氮化铝的α-相YbN。第一性原理计算再现实验结果，并预测最大270%的机电耦合系数增加所造成的（1）增强的压电响应引起的Yb离子的局部应变和（2）的（Yb，Al）N合金的结构的灵活性。计算结果表明，（Yb，Al）N薄膜中的Yb-Yb对在$c$轴方向上是能量稳定的，并且由于Yb-Yb对之间的排斥作用而避免在纤锌矿结构的基面上形成，这也解释了在我们的溅射实验中难以制备高浓度的（Yb，Al）N薄膜的原因。此外，相邻Yb-Yb对相互作用也促进了（Yb，Al）N的结构柔性，并且被认为是（Yb，Al）N的机械软化的原因。
2022-02-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Layer-dependent electromechanical response in twisted graphene moiré superlattices
本研究利用LPFM探究了不同层厚扭曲石墨烯莫尔超晶格的机电响应，发现tBLG和tMBG因不同耦合机制表现出截然不同的压电系数与响应行为，为纳米尺度工程化提供了新见解。
2024-06-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantitative Electromechanical Atomic Force Microscopy
在纳米尺度上探测材料机电功能的能力对于从能量存储和计算到生物学和医学的应用至关重要。电压调制原子力显微镜（VM-AFM）已成为一个支柱的表征工具，调查这些材料，由于其前所未有的能力，局部探测机电响应材料的空间分辨率从微米到纳米。然而，随着VM-AFM技术的广泛普及，如压电响应力显微镜（PFM）和电化学应变显微镜（ESM），纳米级机电功能，包括滞后，在材料中，应该是不能表现出压电或铁电性的报告已经上升。对意外纳米级现象的起源的解释包括新的材料性质、表面介导的偏振变化和/或在体测量中不存在的空间分辨行为。与此同时，众所周知，VM-AFM测量容易受到多种形式的串扰的影响，尽管AFM社区做出了努力，但消除这种串扰的全球方法仍然难以捉摸。在这项工作中，我们开发了一种方法，可以很容易地证明滞后（即假铁电）的样品和悬臂梁体之间的长程相互作用的存在。这种方法应该很容易实现在任何VM-AFM测量。然后，我们继续使用干涉仪来展示完全定量和可重复的纳米机电表征。这些定量测量对于包括MEMS致动器和传感器、忆阻器、能量存储和存储器在内的各种设备至关重要。
2019-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Enhancement of the electromechanical response in ferroelectric ceramics by design
基于连续介质力学建模和模拟，证明了获得机电性能接近单晶的多晶陶瓷铁电材料的可能性。在铁电材料物理性质的数学均匀化框架中，考虑了由于自发极化和潜在的各向异性导致的铁电畴尺度水平上的局部不均匀性。极化的空间分布的内在随机性被证明是明智地采用更好的多晶铁电体的设计。研究表明，铁电陶瓷晶粒内净极化矢量的非共线旋转是提高其物理性能的关键。
2010-11-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.comp-ph
The influence of thermo-electromechanical coupling on the performance of lead-free BNT-type piezoelectric materials
本研究提出二维热-电-机械模型，分析热-电-机械耦合对无铅BNT压电材料性能的影响，发现在低于去极化温度时，热电效应增强可显著改善压电响应。
2023-12-25 cond-mat.mtrl-sci math-ph math.MP
Electromechanical phase-field fracture modelling of piezoresistive CNT-based composites
我们提出了一种新的计算框架来模拟经历断裂的自感知碳纳米管（CNT）基复合材料的机电响应。计算框架结合了电变形断裂有限元建模与混合微观力学配方。后者用于估计CNT基复合材料的本构性质，包括弹性张量，断裂能，电导率和线性压阻系数。这些属性被输入到耦合的电结构有限元模型，该模型模拟基于相场断裂的裂纹演化。耦合的物理问题是解决在一个单片的方式，利用拟牛顿算法的鲁棒性和效率。二维和三维边界值问题进行了模拟，以说明潜在的建模框架在评估的机电响应的中观和宏观尺度的智能结构的缺陷的影响。案例研究旨在阐明断裂与机电材料响应之间的相互作用，包括参数分析、实验验证和复杂开裂条件（多个缺陷、裂纹合并）的模拟。所提出的数值结果显示了计算框架的效率和鲁棒性，以及其模拟各种结构配置和损伤模式的能力。开发的变形-电-断裂有限元代码可免费下载。
2023-02-05 cond-mat.mtrl-sci cs.CE physics.app-ph
Quardratic Electromechanical Strain in Silicon Investigated by Scanning Probe Microscopy
压电响应力显微镜（PFM）是一种强有力的工具，广泛用于表征压电性和铁电性在纳米尺度。然而，它是必要的区分压电和非压电PFM测量的贡献之间的微观机制。在这项工作中，我们系统地研究了硅晶片在垂直和横向模式下的第一和第二谐波表观压电响应，我们发现，它表现出明显的机电响应，是二次的所施加的电场，可能引起的离子电化学偶极子的带电探针。其结果是，所测量的机电响应是占主导地位的二次谐波响应在垂直模式，其极性可以切换的直流电压与演变的矫顽场和最大幅度，在鲜明的对比，与典型的铁电材料，我们用作控制。硅中的离子活性也证实了扫描热离子显微镜（STIM）测量，这项工作指向一组方法来区分真正的压电性从表观的。
2018-04-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.ins-det
Dynamic manipulation in piezoresponse force microscopy: creating non-equilibrium phases with large electromechanical response
铁电材料中的畴壁和拓扑缺陷已经成为包括存储器和逻辑的功能电子器件的强大新范例。同样，壁面相互作用和动力学支持了从巨大的机电响应到记忆效应的广泛的中尺度现象。探索各个畴壁的功能，它们的相互作用，以及畴结构的受控修改对于应用和基础物理研究至关重要。然而，这些功能的动态性质严重限制了他们的本地物理学的研究，因为在piezoresponse力显微镜应用程序的本地偏见或压力诱导壁位移作为一个主要的响应。在这里，我们介绍了一种全新的方法，用于控制和修改域结构的基础上自动化实验，从而使用基于真实空间图像的反馈来控制铁电开关过程中的尖端偏置，允许修改路线的条件下的尖端的域状态。这种自动化的实验方法被证明为探索畴壁动力学和创建具有大的机电响应的亚稳相。
2020-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
