不使用压电材料的压电纳米复合材料的可能性

在压电材料中，施加均匀应变可引起电极化(反之亦然)。晶体学的考虑限制了这一技术上重要的性质，非中心对称系统。从数学和物理上都可以看出，即使在非压电介质中，非均匀应变也可能破坏反演对称性并诱发极化。关键的概念是，所有的电介质(包括非压电介质)都表现出上述应变梯度和极化之间的耦合——一种在某些圈子里被实验证实的现象，称为挠曲电效应。本文研究了应变梯度与极化之间的耦合，以及应变梯度与极化梯度之间的耦合之前的工作(除此之外，其他研究者如Mindlin、Yang、Tagantsev、Nowacki等也被适当引用)。然而，这种柔性电耦合通常非常小，除非存在非常大的应变梯度(或相反的极化梯度)，否则无法进行实验检测。在附的预印本中，基于场理论框架和相关的格林函数解开发了以前的工作，我们定量地证明了“设计压电性”的可能性，即我们利用含有纳米级非均质性的复合材料内部存在的大应变梯度，即使在施加均匀应力的情况下，也能实现整体非零极化。我们证明了上述效应只有在非均质性的形状和分布都是非中心对称的情况下才能实现。换句话说，对自然产生的压电材料的非中心对称性的要求被转移到对柔性电介质形状/拓扑结构的非中心对称性的要求上。基于有限的材料数据和对非均匀性形状和分布的限制性假设，我们未优化的定量结果表明，在4-5 nm的非均匀性尺寸范围内，接近10%的石英的明显压电行为可能是可以实现的。考虑到仅使用非压电材料，这些数字是诱人的，并且可以很容易地对其他材料进行改进(并使用我们论文中开发的模型计算)。在未来的工作中，期望通过优化形状、拓扑和适当的材料选择来提高性能并不是不合理的。这个中心概念首先(定性地)由交叉和同事。他们的实验发现之一是铁电体(即使在非压电状态下)具有非常高的挠曲电系数。

在未来的工作中，我们打算定量地探索柔性电对压电材料的影响。

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