双层铌酸锂“魔角”效应——实现85.5%超大有效机电耦合系数- 大数跨境

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双层铌酸锂“魔角”效应——实现85.5%超大有效机电耦合系数

两江科技评论

2024-06-18

导读：近日，上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员、张师斌研究员及其XOI课题组与厦门大学陈焕阳教授团队合作，提出一种将两层铌酸锂以特定扭转角度键合在一起的新型声学谐振器结构。

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撰稿|课题组供稿

导读

近日，上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员、张师斌研究员及其XOI课题组与厦门大学陈焕阳教授团队合作，提出一种将两层铌酸锂以特定扭转角度键合在一起的新型声学谐振器结构，并报告了声学谐振器的压电“魔角”效应，实现铌酸锂体系中迄今为止报道的最高有效机电耦合系数，达85.5%（如图1）。相关成果以：“Twist piezoelectricity: giant electromechanical coupling in magic-angle twisted bilayer LiNbO₃” 为题于2024年6月3日发表于国际学术期刊《自然•通讯》[H. Yao at al., Nature Communications (2024), doi:10.1038/s41467-024-49321-x]。

图1：在扭转双层压电材料中的“魔角效应”：声学驻波模式的偏振特性和声电耦合受扭转角度的调制。

研究背景

自从在魔角双层石墨烯中发现了拓扑非平庸的平带以来，将一对堆叠的功能材料以一定角度扭转以实现奇异和新颖的电子和光子特性引起了人们的极大兴趣。这些具有类似概念的研究（如超导、铁磁性、量子反常霍尔效应、量子场中的相关绝缘相以及在扭转的α相三氧化钼双层中发现的极化激元从椭圆到双曲色散的变化等）的原理来自于波响应的层间耦合，并随双层之间的扭转角而变化。然而，尽管魔角材料在电子、光子和声子领域有了巨大的发现，其在压电材料中尚未得到充分的研究。压电效应和逆压电效应作为微声学器件的基础，提供了电场和声场之间的能量转换，并被广泛地用于无线通信、声光调制、生物声学和纳米声学等领域。特别地，随着第五代（5G）和未来6G无线通信技术的快速发展，具有更大物理带宽的射频带通滤波器正面临着迫切需求，而通过机电耦合系数测量的压电材料中的能量转换效率则与声波滤波器的分数带宽呈正相关。

在传统的压电材料（如铌酸锂）及其声学谐振器（射频声学滤波器的组成单元）器件中，其机电耦合系数主要由压电材料的压电系数张量决定。由于材料的各向异性，选择最优的切型和所激发声波的传输方向是调节器件机电耦合系数的主要方式。这一方法受限于材料本征参数的限制，并且在设计上面临杂模抑制与最大化机电耦合系数之间的取舍。

研究亮点

受魔角材料的研究启发，研究团队提出了将两层铌酸锂以特定扭转角度键合在一起的新型声学谐振器结构（图2b），以突破单层压电材料机电耦合系数的限制，为超大机电耦合系数声学谐振器提供基于“魔角”效应的新思路。该结构由上下两层对置的X切铌酸锂组成，通过上下电极激发在层内谐振的一对孪生的声学驻波模式（图2c，图中分别标记为mode I 和 mode II）。实验发现，当两层铌酸锂厚度相等，且扭转角度为111°时，其中频率较低的模式将不被激发，同时较高频率的模式的有效机电耦合系数将达到极大值（85.5%）。

图2 a) 单层X切铌酸锂谐振器示意图 b) 扭转双层X切铌酸锂谐振器示意图 c) 单层及不同扭转角度双层铌酸锂谐振器导纳测试结果。

这一“魔角”现象的原理可以通过声场与电场的交叠积分解释。其中驻波模式的声场可由分波叠加原理得到（如图3a），具体分为以下两个步骤：1）通过压电场方程求解出沿着X轴传播的弹性波本征模式；2）上下两层铌酸锂中的不同方向偏振的水平剪切波叠加形成总的声场模式，叠加系数由层间的连续性边界条件决定。我们发现，当两层铌酸锂的厚度相等时，这种分波叠加应是对称/反对称的，因此确定的声场也应该满足相同的对称性：以上下两层铌酸锂的水平晶轴的角平分线及其垂线作为空间坐标系，声场的水平剪切应力沿着该坐标系的投影应该是对称/反对称分布的（如图3b）。将具有反对称分布的和对称分布的代入声电耦合的交叠积分中可以证明，所研究的孪生模式的机电耦合系数将正比于相应压电系数（d）的“扭转变换”，并且“魔角”可以由公式求解得出。

图3 a) 弹性波分波叠加示意图 b) “魔角”声学驻波模式的应力场的对称性。

总结与展望

这一研究的意义在于：1）首次报道了扭转压电谐振器，并发现了无寄生模式的巨大有效机电耦合系数的压电“魔角”现象。2）通过直接键合技术完成了制备双层扭转压电晶体材料的验证，这保证了声学谐振器中至关重要的接近理想的连续性边界条件的成立。3）压电“魔角”现象在无线通信、定时、传感和混合集成光子学的应用中具有巨大的潜力，特别是在声学滤波器中，更大的耦合系数意味着能够实现更宽的频带。

课题组博士生姚虎林、郑鹏程博士、张师斌研究员为该论文共同第一作者，张师斌研究员、陈焕阳教授、欧欣研究员为共同通讯作者。研究得到了国家自然科学基金委重大项目、中科院青年创新促进会、中国科协青年人才托举工程、上海市青年科技启明星计划等的资助。