First-principles Study of Piezoelectricity of Si₃N₄ Crystal

Si 3 N 4 是一种具有多种优越物化性能的多功能材料. 采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算对Si 3 N 4 的高低温相(β、α)进行了对比研究. 对于α相, 计算得晶格常数 a =0.7678nm、 c =0.5566nm, 弹性刚度系数 c 11 = 4.232×10 11 N/m 2 、 c 33 =4.615×10 11 N/m 2 ,压电应变常量 d 33 =0.402pC/N;而对于β相, a =0.7536nm、 c =0.2874nm,弹性刚度系数 c 11 =4.241×10 11 N/m 2 、 c 33 =5.599×10 11 N/m 2 ,压电应变常量则几乎为零. 分析表明Si 3 N 4 的α、β两相均为高硬高强材料, 这与其结构由四面体组成的网络架构有关. 而Si 3 N 4 高低温相的压电性能都很差, 特别是β相的压电系数几乎为零, 这与其结构的对称性有关, 高温相结构的对称性更高, 形变引起的离子位移响应抵消更多.