Enhanced size-dependent piezoelectricity and elasticity in nanostructures due to the flexoelectric effect

挠曲电 压电 凝聚态物理 材料科学 电介质 缩放比例 四方晶系 纳米结构 弹性模量 压电系数 物理 纳米技术 相(物质) 复合材料 量子力学 光电子学 几何学 数学
作者
M. S. Majdoub,Pradeep Sharma,T. Cagin
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:77 (12) 被引量:665
标识
DOI:10.1103/physrevb.77.125424
摘要

Crystalline piezoelectric dielectrics electrically polarize upon application of uniform mechanical strain. Inhomogeneous strain, however, locally breaks inversion symmetry and can potentially polarize even nonpiezoelectric (centrosymmetric) dielectrics. Flexoelectricity---the coupling of strain gradient to polarization---is expected to show a strong size dependency due to the scaling of strain gradients with structural feature size. In this study, using a combination of atomistic and theoretical approaches, we investigate the ``effective'' size-dependent piezoelectric and elastic behavior of inhomogeneously strained nonpiezoelectric and piezoelectric nanostructures. In particular, to obtain analytical results and tease out physical insights, we analyze a paradigmatic nanoscale cantilever beam. We find that in materials that are intrinsically piezoelectric, the flexoelectricity and piezoelectricity effects do not add linearly and exhibit a nonlinear interaction. The latter leads to a strong size-dependent enhancement of the apparent piezoelectric coefficient resulting in, for example, a ``giant'' 500% enhancement over bulk properties in $\mathrm{Ba}\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_{3}$ for a beam thickness of $5\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\mathrm{nm}$. Correspondingly, for nonpiezoelectric materials also, the enhancement is nontrivial (e.g., 80% for $5\phantom{\rule{0.3em}{0ex}}\mathrm{nm}$ size in paraelectric $\mathrm{Ba}\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_{3}$ phase). Flexoelectricity also modifies the apparent elastic modulus of nanostructures, exhibiting an asymptotic scaling of $1∕{h}^{2}$, where $h$ is the characteristic feature size. Our major predictions are verified by quantum mechanically derived force-field-based molecular dynamics for two phases (cubic and tetragonal) of $\mathrm{Ba}\mathrm{Ti}{\mathrm{O}}_{3}$.
最长约 10秒,即可获得该文献文件

科研通智能强力驱动
Strongly Powered by AbleSci AI
科研通是完全免费的文献互助平台,具备全网最快的应助速度,最高的求助完成率。 对每一个文献求助,科研通都将尽心尽力,给求助人一个满意的交代。
实时播报
在水一方的应助被好困采纳,获得10
刚刚
清修完成签到,获得积分10
刚刚
为为的小耳朵完成签到 ,获得积分10
1秒前
魔术师完成签到 ,获得积分10
4秒前
Drtaoao完成签到 ,获得积分10
5秒前
5秒前
hbpu230701完成签到,获得积分10
6秒前
拼搏以亦完成签到,获得积分10
6秒前
磁旋衡完成签到 ,获得积分10
7秒前
6S6完成签到,获得积分10
8秒前
所所的应助被Li采纳,获得10
9秒前
和谐的sui完成签到,获得积分10
10秒前
A29964095完成签到 ,获得积分10
11秒前
cdercder的应助被DND采纳,获得10
12秒前
12秒前
科研通AI6.4的应助被怕黑谷槐采纳,获得10
14秒前
思源的应助被怕黑谷槐采纳,获得10
14秒前
天天玩完成签到,获得积分10
16秒前
朴实觅夏完成签到 ,获得积分10
17秒前
Nole的应助被水豚噜噜本人采纳,获得10
18秒前
YY完成签到,获得积分10
19秒前
虚幻百招完成签到,获得积分10
20秒前
尖椒干豆腐完成签到,获得积分10
20秒前
DCC完成签到,获得积分10
21秒前
静心完成签到,获得积分10
21秒前
文静完成签到,获得积分10
22秒前
22秒前
积极的白羊完成签到 ,获得积分10
22秒前
科研通AI6.4的应助被心静采纳,获得10
23秒前
香山叶正红完成签到 ,获得积分10
24秒前
强健的惠完成签到 ,获得积分10
24秒前
jiuzhege完成签到 ,获得积分10
24秒前
45度科研狗完成签到 ,获得积分10
25秒前
Four_twos完成签到,获得积分10
26秒前
111完成签到 ,获得积分10
28秒前
meimale完成签到,获得积分10
28秒前
Gzh_NJ完成签到,获得积分10
29秒前
31秒前
布丁完成签到 ,获得积分10
33秒前
李木子完成签到,获得积分10
33秒前
高分求助中
(应助此贴封号)通过应助OA文献获取积分 10000
Rosenblum, Global Change Biology 800
Computational Chemical Reaction Engineering: Modeling, Simulation, and Design with MATLAB 600
Organizational Behavior 510
Management and the Arts 510
Deformation and Fracture of the Lumbar Vertebral End Plate 500
CLSI C56QG Examples of Hemolyzed, Icteric, and Lipemic/Turbid Samples Quick Guide 400
热门求助领域 (近24小时)
化学 材料科学 医学 生物 计算机科学 工程类 纳米技术 内科学 物理 有机化学 化学工程 生物化学 复合材料 光电子学 细胞生物学 心理学 量子力学 催化作用 物理化学 电极
热门帖子
关注 科研通微信公众号,转发送积分 7802584
求助须知:如何正确求助?哪些是违规求助? 9336575
关于积分的说明 20480553
捐赠科研通 7394153
什么是DOI,文献DOI怎么找? 3326910
关于科研通互助平台的介绍 2473975
邀请新用户注册赠送积分活动 2344938