兰州大学材料与能源学院刘书海青年教授研究团队在挠曲电领域取得重要突破，他们提出宏观对称性设计的策略，通过调控材料参数分布和器件结构的宏观对称性，成功实现了挠曲电效应的巨幅提升。相关成果以“Giant flexoelectric-like response via macroscopic symmetry design”为题于2025年7月18日发表在国际权威期刊《Advanced Materials》（DOI: 10.1002/adma.202501160），为宏观高性能挠曲电应用提供了理论指导的设计思路。

挠曲电效应是一种存在于所有介电材料中的基础物理现象，描述了材料在应变梯度（如弯曲）作用下产生电极化的能力，其应用潜力巨大。然而，其致命的瓶颈在于体材料中产生的电荷密度通常极低，难以满足实际需求。虽然通过化学掺杂、光掺杂等策略能在一定程度提升性能，但仍存在稳定性差、依赖苛刻条件或工艺复杂等问题。如何找到一种普适、高效且可工程化的策略大幅提升宏观尺度下的挠曲电系数，是该领域长期面临的严峻挑战。

针对该难题，研究团队从材料的“宏观对称性”设计入手，建立了有效的挠曲电系数本构方程，理论推导表明，通过设计材料参数（尤其是压电系数）分布和器件结构本身的宏观对称性（如镜像对称、中心对称），可以显著增强其挠曲电响应。为了验证这一策略，团队选择了结构可控且易于实现的压电双晶悬臂梁（PBC, Ag/PZT-5H/Ag/PZT-5H/Ag）作为研究模型，构建了极化镜像对称构型（head-to-tail polarization arrangement）和中心对称构型（tail-to-tail polarization arrangement）PBC。实验结果显示，中心对称构型PBC展现出了高达1.47 × 106 nC/m的挠曲电系数，比镜像对称构型PBC（约7 × 10⁴ nC/m）高出20.9倍！这一飞跃性的提升证实了宏观对称设计策略的有效性。进一步地，研究团队通过引入空间叉指电极，成功将原本镜像对称构型PBC的宏观对称性转变为中心对称。这一结构对称性调控进一步将挠曲电系数提升至2.53 × 10⁶ nC/m，达到了目前世界报道的最高水平之一。它不仅远超传统的挠曲电材料（如金属氧化物TiO₂、SrTiO₃，聚合物PDMS、PVDF）数个数量级（图2），更优于通过化学掺杂（如BaTiO_3−d）或光掺杂（如CH₃NH₃PbBr₃, CH₃NH₃PbCl₃）等已验证策略所能达到的性能极限。这种通过宏观对称性设计对挠曲电效应的提升是数量级式的，代表着挠曲电效应实用化进程中的一个重要突破。

图1. 宏观对称性设计增强挠曲电效应的机制

图2. 宏观对称性调制的PBC与传统挠曲电材料的挠曲电系数比较

“宏观对称设计策略的核心价值在于其普适性，”研究团队成员刘书海指出，“它不仅适用于我们演示的PZT双晶悬臂梁结构，理论上可以通过设计材料组分梯度分布或器件结构，广泛应用于各类材料体系（如单晶、异质结、功能梯度材料等）来实现高性能挠曲电效应。”这一策略为理解挠曲电效应（尤其是实验中常被高估的本征挠曲电）和设计新型高性能挠曲电器件（传感器、驱动器、能量收集器）提供了新的思路。

研究工作由兰州大学材料与能源学院博士研究生张永康（第一作者）等人合作完成，刘书海青年教授和秦勇教授为本文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、甘肃省自然科学基金和科技部国家重点研发计划项目支持。

文章链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202501160