我国学者在高机电耦合系数的双层扭转铌酸锂声学谐振器方面取得进展

　　

图 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

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62293521、12361161667）资助下，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队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，实现了高达85.5%的有效机电耦合系数。相关成果以“扭转压电：魔角扭转双层LiNbO₃中的巨大机电耦合（Twist piezoelectricity: giant electromechanical coupling in magic-angle twisted bilayer LiNbO₃）”为题于2024年6月3日发表在《自然?通讯》（Nature Communications）杂志上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-49321-x。

　　自从非平凡平带在魔角双层石墨烯中被发现以来，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。在传统的压电材料（如铌酸锂）及其声学谐振器器件中，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。

　　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，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声学驻波模式。实验发现，当两层铌酸锂厚度相等，且扭转角度为111°时，频率较低的驻波模式将不被激发，较高频率的驻波模式的有效机电耦合系数达85.5%。

　　该工作首次报道了扭转压电声学谐振器，并发现了无寄生杂散模式的超大有效机电耦合系数的压电“魔角”现象。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，实现了压电声学谐振器中接近理想的连续性边界条件。压电“魔角”现象未来在无线通信、定时、传感和混合集成光子学等方向具有较大的应用潜力。