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课题组在二维压电材料及其在智能表面的应用领域取得新进展(Phys. Rev. Applied)


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2020-05-10

 

  智能表面(smart surface)是在适当的外场刺激下能够表现出一定的功能特性的一种材料表面,近年来引起了人们极大的兴趣。通过表面形貌的设计是一种常用且有效的方法,可以在材料的表面获得一些特定的功能特性,如润湿性、粘附性和催化特性等。二维材料是一种具有天然纳米厚度的材料,由于其独特的物理性能,已经成为材料领域研究的热点。在外界刺激下,二维材料很容易发生形态变化。特别是二维压电材料,能够在电场的调控下产生(应变)变形,因此利用二维压电材料开发智能表面及其应用,是一个极具发展前景的领域。


 

  最近,材料学院强度室的邓俊楷副教授研究小组同澳大利亚墨尔本大学的Zhe Liu副教授合作研究,利用密度泛函理论(DFT)计算方法,系统地研究了不同浓度金属原子(元素周期表前三行的所有金属元素)在黑磷烯(black-P) 的一侧进行吸附掺杂的热力学稳定性,并对其晶体结构和压电性能进行了理论计算。研究发现对于Li掺杂的黑磷烯(P4Li2)的压电系数d31达到6.28 pm/V,这比迄今为止所发现的其它二维材料的压电系数高于4倍以上。这意味着在垂直二维材料方向的外加电场作用下,Li原子掺杂黑磷烯二维材料可以产生显著的平面应变。当面内应变大于某一阈值时,材料可以在垂直方向上的产生弹性屈曲位移。利用这一特有现象,我们提出可调控面的面外位移可用于触摸智能表面的应用。利用有限元模拟,我们设计了基于P4Li2二维材料的表面形貌调控的智能表面的原型器件,能够在可触摸识别的分辨率下活动一定的图案或形貌(如图中所示的“XJTU”)。研究表明具有大压电系数的二维材料有望在触觉显示等智能表面上获得广泛应用。


  本项研究成果最近以“Thermodynamic, structure, and piezoelectric properties of adatom doped phosphorene and its applications in smart surfaces”为题发表在应用物理领域的国际著名期刊Physical Review Applied上(影响因子:4.53)。西安交通大学是该论文的第一作者单位和第一通讯单位,第一作者为材料学院二年级硕士生李陋。

 

  论文链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.13.054061