近日，我院新兴磁电材料研究团队在二维铁电材料压电性能研究方面取得进展，相关研究成果以“Shear piezoelectricity and polarization rotation in two-dimensional ferroelectric bismuthene”为题，发表于国际物理学期刊《Physical Review B》。我院研究生蒋鑫为论文第一作者，桂楚人、孙庆德、李振庆老师为共同通讯作者，长沙理工大学为第一单位。

二维铁电材料兼具原子级厚度、机械柔性和自发极化等特点，为微型化和柔性压电器件提供了新的材料平台。单层铋烯具有本征面内铁电性，此前相关研究主要关注纵向应变下的压电响应，而其剪切应变下的压电行为及物理机制仍缺乏深入认识。

研究团队基于第一性原理计算发现，单层铋烯具有高达 311.1 pC/N 的剪切压电系数 d₂₆，处于已报道二维材料中的较高水平。对极化翻转路径的进一步分析发现，铋烯存在由面内原子位移和面外原子位移主导的两种翻转路径，其中前者的能垒反而低于后者，呈现出反常的势垒反转现象。进一步研究表明，铋烯具有四个对称等价的面内极化基态，其间由平坦的低能势能通道相连，极化旋转能垒仅约 10 meV。剪切应变可驱动极化在不同面内方向之间连续旋转，并同时产生较大的压电应力响应和较低的剪切弹性常数，最终形成巨大的剪切压电效应。该研究为理解二维铁电材料中的剪切压电机制及探索高性能低维压电材料提供了新的思路。

图1  铋烯(a)和锑烯(b)的二维势能面（论文 Fig. 4）

该项工作得到国家自然科学基金项目（12474219）的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/pn3f-q88q

（图文/蒋鑫 一审/李振庆 二审/刘斯 三审/张国强）