圖一?（a）ScB3C3的晶體結(jié)構(gòu)；（b）B-C構(gòu)成的高對稱截角八面體籠型結(jié)構(gòu)；（c）能量-畸變的雙勢井曲線；（d）ScB3C3的極化強(qiáng)度。

圖二?（a）勢能-畸變幅度曲線；（b）不同畸變模的二維勢能面；（c）c55與d15隨應(yīng)變η2的變化；（d）η2與η5的二維勢能面；（e）不同材料的d15對比；（f）Y取代后正交相與三方相的能量差。

為探索新型壓電材料，朱建國教授團(tuán)隊(duì)利用第一性原理計(jì)算方法計(jì)算了穩(wěn)定輕質(zhì)碳硼籠形化合物ScB3C3的壓電性，證實(shí)了正交Ama2為ScB3C3的基態(tài)相結(jié)構(gòu)，Sc靠近B-C六邊形共邊。由于B-C框架產(chǎn)生的較高縱向彈性剛度常數(shù)，其壓電常數(shù)d33較低，但ScB3C3的剪切彈性常數(shù)較低，剪切壓電常數(shù)d15可達(dá)244 pC/N。通過二維勢能面識別出在Ama2與R3c結(jié)構(gòu)之間存在一條平坦的勢能山谷，其高剪切壓電常數(shù)與從Ama2向R3c結(jié)構(gòu)的極化旋轉(zhuǎn)密切相關(guān)。通過對晶格參數(shù)b進(jìn)行拉伸，發(fā)現(xiàn)其勢能面可以進(jìn)一步平坦，在晶格應(yīng)變?yōu)?.25%時得到極低的剪切剛度常數(shù)，并產(chǎn)生9424 pC/N的超高剪切壓電系數(shù)d15。此外，除晶格應(yīng)變外，還可以通過化學(xué)取代這一實(shí)驗(yàn)上更加可行的方式去實(shí)現(xiàn)ScB3C3中的MPB，研究表明Y取代Sc的含量為25%時可以實(shí)現(xiàn)基態(tài)相結(jié)構(gòu)從Ama2到R3c的轉(zhuǎn)變。分子動力學(xué)模擬表明ScB3C3這一鐵電體中存在類似BaTiO3的溫致鐵電相變，其Ama2結(jié)構(gòu)在約160 K時轉(zhuǎn)變?yōu)镽3c結(jié)構(gòu)。該研究以ScB3C3為例展示了在B-C籠狀結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高壓電性的巨大潛力，著重強(qiáng)調(diào)了大極化強(qiáng)度與高度對稱的多面體結(jié)構(gòu)對產(chǎn)生高剪切壓電常數(shù)的重要性，指明了開發(fā)新一代非鈣鈦礦結(jié)構(gòu)高性能壓電材料的可能途徑。