本文系统介绍了压电效应的基本原理，包括正压电效应和逆压电效应的产生机制，并深入探讨了晶体结构对压电性能的影响。压电效应的产生依赖于晶体的非中心对称性，其强弱受原子排列方式、化学键类型和对称性等因素的调控。文章还从理论计算的角度分析了二维材料的压电性能，揭示了极化率和对称性在压电响应中的关键作用。
研究表明，通过优化材料结构和化学成分，可以显著提升压电性能，为设计新型压电器件（如柔性传感器和能量收集器）提供了理论依据。这些发现不仅深化了对压电效应的理解，也为材料科学和工程应用开辟了新的研究方向。
压电效应的原理与机制
压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力作用而发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷；当外力去掉后，电介质又恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。
相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
正压电效应的产生源于晶体内部结构的特殊性。当晶体受到外力作用时，晶体中的原子或离子会发生相对位移，导致晶体内部的电荷分布发生变化，原本重合的正负电荷中心发生分离，从而在晶体表面产生感应电荷。
以石英晶体（SiO₂）为例，其晶体结构属于三方晶系，在正常状态下，晶体内部的硅（Si）原子和氧（O）原子通过共价键结合，电荷分布均匀。当对石英晶体施加压力时，晶体发生形变，硅氧键的长度和角度发生改变，使得晶体内部的正负电荷中心不再重合，从而在晶体表面产生电荷 。
逆压电效应则是由于在电场作用下，晶体内部的电偶极矩发生变化，导致晶体产生形变。在施加电场时，电场力作用于晶体中的带电粒子，使它们产生位移，进而引起整个晶体的形状改变。
例如，在压电陶瓷中，当在其极化方向上施加交变电场时，陶瓷内部的电偶极子会随着电场方向的改变而发生转动和取向变化，从而使陶瓷产生周期性的伸缩变形。
晶体产生压电效应的必要条件是晶体结构具有非中心对称性。在具有中心对称性的晶体中，当受到外力作用或施加电场时，晶体内部的正负电荷中心始终保持重合，不会产生电荷分离或电偶极矩的变化，因此不会出现压电效应。只有在非中心对称的晶体结构中，原子或离子的排列方式使得在外界作用下能够打破电荷分布的对称性，从而产生压电效应。
影响晶体压电性质的结构因素
晶体的压电性质受到多种结构因素的影响，这些因素主要包括原子排列方式、化学键类型以及晶体的对称性。
原子排列方式对晶体压电性质有着重要影响。不同的原子排列方式决定了晶体在受力或电场作用下原子间的相对位移情况，进而影响压电效应的强弱。在紧密堆积结构的晶体中，原子间的距离相对较小，相互作用力较强，当受到外力或电场作用时，原子的位移相对较难，可能导致压电效应较弱。
例如，面心立方最密堆积结构的金属晶体，由于其原子排列紧密，原子间的相互束缚较强，通常压电性质不明显。而在一些具有特定原子排列的晶体中，如具有层状结构或链状结构的晶体，原子在某些方向上的排列相对疏松，当受到外力作用时，这些方向上的原子更容易发生相对位移，从而产生较大的电荷分离，表现出较强的压电性质。
例如，层状结构的石墨，虽然其本身不是典型的压电材料，但在特定的条件下，通过对其结构进行修饰或与其他材料复合，可以使其在某些方向上展现出一定的压电特性。
化学键类型也是影响晶体压电性质的关键因素之一。晶体中的化学键可分为离子键、共价键、金属键和分子间作用力等。在离子晶体中，离子键的键能较大，离子间的相互作用较强，当晶体受到外力作用时，离子的相对位移需要克服较大的能量，这可能限制了压电效应的产生。
然而，一些离子晶体在特定的结构和条件下，如晶格中存在一定的离子空位或缺陷时，离子的移动性增加，能够在受力时产生明显的电荷分离，从而表现出压电性质。共价键晶体中，共价键具有方向性和饱和性，原子通过共价键形成相对稳定的结构。
对于一些具有极性共价键的晶体，如石英晶体（SiO₂），由于硅氧键的极性，在外界作用下，键的变形能够导致电荷分布的变化，从而产生压电效应。金属键晶体中，由于自由电子的存在，电子的移动性较好，通常情况下金属晶体的导电性较好，但压电效应较弱。分子间作用力相对较弱，分子晶体一般不具备明显的压电性质 。
晶体的对称性是决定其是否具有压电效应以及压电性质强弱的重要因素。如前文所述，只有非中心对称的晶体才可能具有压电效应。在非中心对称的晶体中，对称性的高低也会影响压电性质。对称性较低的晶体，其原子排列的不规则性相对较大，在外界作用下更容易打破电荷分布的对称性，从而产生较强的压电效应。
例如，在一些复杂的多晶型化合物中，不同晶型的对称性差异会导致它们具有不同的压电性能。此外，晶体的对称性还会影响压电效应的方向特性。晶体在不同方向上的对称性不同，其压电响应也会表现出各向异性，即在不同方向上施加相同的外力或电场，晶体产生的压电效应大小和方向可能不同。
理论计算的关键机制与策略
这篇文献通过系统的理论计算和对称性分析，深入研究了二维材料的压电性质，其中图1和图2在材料筛选、机制解析和实验指导方面发挥了关键作用。图1通过展示不同材料家族的压电系数d11和d31，并结合晶体结构分析，揭示了二维材料的压电性能与其对称性和化学成分的紧密关联。
具体而言，图1a-c比较了金属二硫族化物（MX₂）、金属氧化物（MO）和III-V族半导体（AX）的压电系数d11，发现CrTe₂、CdO、ZnO等材料表现出显著的压电响应（>5 pm/V），甚至超过某些传统块体压电材料（如α-石英和AlN）。
这些计算结果不仅验证了先前研究（如MoS₂的实验测量值），还预测了新材料（如CrSe₂、GdO）的潜在应用价值。此外，图1d首次报道了弯曲六方结构的III-V族半导体（如AlAs、InP）在面外方向上的压电效应d31，这一发现突破了传统二维材料仅具有面内压电性的认知，为新型纳米机电系统（如垂直极化传感器）提供了理论依据。
图1e-g进一步通过结构示意图阐明了对称性对压电性的影响：平面六方和2H结构因存在垂直镜面对称性而仅表现出d11，而弯曲六方结构由于对称性破缺，允许d31的出现。这一分析不仅解释了不同结构压电行为的差异，还为实验合成提供了指导，例如建议在匹配的六方衬底上稳定弯曲结构以增强d31效应。
图2则通过统计建模和相关性分析，深入探讨了压电系数的物理起源，为材料设计提供了定量化指导。图2a显示，金属二硫族化物的d11与阴/阳离子极化率比值（αanion/αcation）呈线性正相关，表明压电性主要源于应变诱导的阴离子极化变化，而非传统认为的离子位移或电荷转移（Bader电荷和电负性无显著影响）。
这一发现揭示了二维材料压电性的独特机制，即阴离子的高极化率和小阳离子的反作用协同增强了压电响应。例如，CrTe₂的高d11（13.45pm/V）可归因于Te的大极化率和Cr的小尺寸，而MoS₂的较低系数（~2.9pm/V）则反映了S的较小极化率。
图2b进一步扩展了这一分析框架，指出III-V族半导体的d11同时依赖于极化率比值和Bader电荷与晶格参数的乘积，表明其压电性由极化变化和离子位移共同贡献。然而，氮化物（如AlN、GaN）因N的高电负性和小原子半径偏离此趋势，凸显了化学键性质的复杂影响。
这些统计模型不仅解释了已有数据，还提供了材料优化的明确方向：例如，在金属二硫族化物中选择大阴离子（如Te）和小阳离子（如Cr）可最大化d11，而在III-V族材料中调控电荷转移（如增加InSb的Bader电荷）可进一步提升性能。
综合来看，图1和图2的理论计算不仅实现了高通量材料筛选（如从37种材料中推荐CrTe₂、ZnO等实验候选），还通过建立结构–性能关系，揭示了二维材料压电性的微观机制。
这些发现不仅与实验观测（如MoS₂的压电系数测量）高度吻合，还预测了新材料（如GdO）和新现象（面外压电效应），为后续研究提供了重要方向。此外，研究提出的“极化率主导”机制突破了传统压电材料的理解框架，为设计高性能二维压电器件（如柔性传感器、能量收集器）奠定了理论基础。
最终，作者建议实验优先探索高d11（如CrTe₂、InN）和低形成能的材料，并通过衬底工程稳定弯曲结构以利用d31效应，体现了理论计算对实验研究的精准指导作用。