1、压电材料三维椭球夹杂的数值解
(1)求得了含椭球压电夹杂中力电耦合Eshelby场的解析表达式；
(2)证明了当外加电场和力场为均匀分布时，椭球夹杂内部电场和力场的分布也是均匀的；
(3)首次严格导出了压电复合材料有效性能的预报公式。
代表论文：Wang B. Three-Dimensional analysis of an ellipsoidal inclusion in a piezoelectric material. Int. J. Solids Structures,1992, 29:293-308
2、含裂纹的压电材料中三维力电耦合场解析解
(1)求得了三维埋藏椭圆片状裂纹尖端力电强度因子；
(2)证明了该种裂纹尖端力场和电场呈~r-1/2的奇异性；
(3)建立了含裂纹压电材料的断裂准则。
代表论文：Wang B. Three-dimensional analysis of a flatelliptical crack in a piezoelectric material. Int. J. Engng. Sci. 1992, 30: 781-791
3、力学载荷对铁电存储器的调控
当铁电薄膜厚度减小到一定程度时，铁电极化会消失，这个厚度是铁电材料的临界尺度。我们发现施加应力应变载荷可以改变铁电薄膜的临界尺度， 甚至使临界厚度消失。龙为重要的是，力学载荷能对隧道结隧穿电阻产生巨大的影响，发现利用力学调控方法可以改变Pt/PbTiO3/Pt铁 电隧道结的极化状态，通过相变的方法引起隧穿层电阻阻值的巨大变化，实现"0"与"1"信号的转变。我们首次将该现象定义为“巨压电电阻效应”。 另一方面，通过对“上千种”不同尺寸及力学载荷下铁电微结构进行系统研究，我们发现力学载荷可以规律调控涡流态相变，不仅可以调控涡流态 的涡流数目和涡流方位，还可以有效促进涡流态的翻转，首次在国际上提出力诱导涡流态转变新机理，力学钉扎涡流新效应以及力学促进涡流态翻转 新方法。全面考虑温度、尺寸以及应力载荷等复杂条件，总结力学载荷调控涡流态变化规律，给出具有工程指导意义的涡流畴结构转变的“应力-温度” 和“应变-温度”完整相图。相关结果对于发展铁电信息存储提供全新思路。
代表论文：
Chen WJ, Zheng Y and Wang B.
Phase field simulations of stress controlling the vortex domain structures in ferroelectric nanosheets. Appl. Phys. Lett.
2012, 100:062901.
Luo X, Wang BA and Zheng Y.
Tunable Tunneling Electroresistance in Ferroelectric Tunnel Junctions by Mechanical Loads. ACS Nano
2011, 5:1649
4、铁电涡流畴结构力学调控性
我们考虑多种力学调控手段，对低维铁电材料涡畴结构及其相关特性进行了系列研究。针对多种低维铁电材料结构，包括扁平状铁电纳米结构和纳米岛，发展了相场模拟，系统揭示了均匀应力载荷、基底失配应变及不均匀力学载荷(如位错和局部夹持力)对铁电涡畴稳定和转变机理以及相关特性的影响规律。研究结果明确表明力学载荷对铁电涡畴的形成和转变具有显著调控性，且具有显著不同于电学控制的特点。针对不同的铁电纳米结构，运用力学载荷不仅能够调控铁电涡畴态的相变温度，还能有效控制铁电涡畴的大小、数目、方位和转变途径等，结合温度和力学载荷，涡畴结构的形成和转变具有丰富的相图。特别地，对于纳米平板，均匀应力载荷可以控制涡畴的数目和大小，并诱导具有不同涡畴数目的涡畴态之间的转变。对于外延铁电纳米岛，基底的失配应变可以控制涡畴形成的方位，并诱导不同方位的涡畴发生转变。对于非均匀载荷情形(基底夹持、位错和局部夹持力等)的研究表明，纳米岛涡畴的数目和方位可以因为位错的钉扎效应而被有效控制。同样有趣的是，由于非均匀载荷打破了涡畴形核的对称性，涡畴的方向可以被均匀电场所翻转。相关研究成果对于如何应用铁电涡畴结构具有重要指导意义，也为低维铁电材料在力学、物理及材料科学基础理论及相关应用研究方面提供重要参考。
代表论文：
Chen WJ, Zheng Y and Wang B.
Pinning effects of dislocations on vortex domain structure in ferroelectric nanodots. Appl. Phys. Lett.
2014, 104:222912.
Chen WJ, Zheng Y, Wang B, Ma DC and Ling FR.
Vortex domain structures of an epitaxial ferroelectric nanodot and its temperature-misfit strain phase diagram. Phys. Chem. Chem. Phys.
2013, 15:7277.
Chen WJ, Zheng Y and Wang B.
Vortex Domain Structure in Ferroelectric Nanoplatelets and Control of its Transformation by Mechanical Load. Sci Rep
2012, 2:796.
5、铁电畴结构失稳及其在力学载荷下的演化
我们建立了一个三维薄膜的相场模拟方法，综合考虑温度、尺寸、力学载荷及挠曲电性等因素的影响，对铁电纳米薄膜中几种常见畴结构的稳定性及演化进行研究。在模型中，薄膜中的力电场通过基于Khachaturyan微弹性理论和Stroh方法的快速傅里叶变换方法进行准确求解。运用这一相场模拟方法，我们首先针对先考虑PbTiO3纳米薄膜中可能存在的八种畴结构，揭示它们在均匀应变载荷、柱面弯曲载荷以及相关挠曲电场下的稳定性及演化路径。模拟结果表明，铁电纳米薄膜畴结构在力学载荷下的稳定和演化是畴结构类型、畴比例、畴连续性、体挠曲电效应和表面挠曲电效应等多种因素综合的结果。为了适应力学载荷和挠曲电效应，180°c-畴结构倾向于发生较大的形貌变化，在一些情形下可以演化为单畴态即实现力学擦除。与此相比，具有a/c-或b/c-弹性畴的畴结构首先通过连续调整面内畴和面外畴的比例来适应力学载荷和挠曲电效应，表现出较高的稳定性。我们后面针对180°柱状纳米c-畴的稳定性进行了更细致研究。我们系统研究了180°柱状纳米c-畴的稳定性如何依赖畴的写入大小、薄膜厚度、温度以及外加力学载荷，并由此深入揭示力学擦除180°柱状纳米畴的可行性。结果表明，这种畴结构的稳定性能够十分灵敏地被多种力学载荷擦写。研究对于发展力控铁电存储器和传感器等实际应用具有指导意义。
代表论文：
Chen WJ, Zheng Y, Xiong WM, Feng X, Wang B and Wang Y.
Effect of Mechanical Loads on Stability of Nanodomains in Ferroelectric Ultrathin Films: Towards Flexible Erasing of the Non-Volatile Memories. Sci Rep
2014, 4:5339.
Chen WJ, Zheng Y, Feng X and Wang B.
Utilizing mechanical loads and flexoelectricity to induce and control complicated evolution of domain patterns in ferroelectric nanofilms. J. Mech. Phys. Solids
2015, 79:108.
6、铁电极化-涡旋共存态及其力电耦合特性
体系维度及结构是铁电材料电偶极子有序态的重要调控因素。一方面，我们知道块体或大尺寸铁电材料具有极化有序态。另一方面，低维铁电纳米结构易形成涡旋有序态。可以猜想，通过结构设计有可能诱导铁电材料呈现极化-涡旋有序共存态。根据极化有序和涡旋有序对结构的依赖特点，我们设计了两种铁电复合体系，对其中极化-涡旋共存态的形成及相关特性进行了深入研究。在第一个工作中，我们运用相场模拟研究了PbTiO3铁电纳米薄膜-纳米岛中的畴结构，发现该体系能够形成极化-涡旋共存态，其稳定性不仅与结构相关，还敏感依赖温度、外加应变载荷以及外电场。利用薄膜-纳米岛体系形成的极化-涡旋共存态，我们展示一种新颖的均匀静电场实现涡畴翻转的方案。在第二个工作中，我们运用有效哈密顿方法模拟了BTOm/STOn复合纳米线中的偶极子有序行为。结果表明，这种全新设计的纳米线存在有趣的极化-涡旋有序的耦合，该耦合可以被STO层的厚度所调控，从而显示丰富的偶极子态及相界。尤为重要的是，体系的涡旋有序可以被均匀静电场有效调控，反过来极化有序也可以被涡旋电场有效调控，与此同时体系具有优良的压电和压旋效应，压电系数和压旋系数在极化-涡旋相界附件高达1200 pC/N和-0.4e/GpaÅ。相关研究结果为低维铁电纳米结构新型极化态的应用提供重要参考。
代表论文：
Chen WJ, Zheng Y, Wang B and Liu JY.
Coexistence of toroidal and polar domains in ferroelectric systems: A strategy for switching ferroelectric vortex. J. Appl. Phys.
2014, 115:214106.
Chen WJ, Zheng Y and Wang B.
Large and Tunable Polar-Toroidal Coupling in Ferroelectric Composite Nanowires toward Superior Electromechanical Responses. Sci Rep
2015, 5:11165.
7、压电、光电、热电的微观物理机理与量子材料中的物理理论和器件设计
一、拓扑绝缘体铁磁异质结和石墨烯铁磁异质结中的应变自旋耦合研究及其器件设计
1、融合量子自旋霍尔态（拓扑绝缘体）和力学调控手段，给出了拓扑绝缘体铁磁异质结中应变自旋耦合理论，设计了一种全新的拓扑绝缘体磁开关应变传感器，拓展了巨磁阻效应的新应用。
2、综合利用石墨烯优异的弹性力学性质和长自旋相干长度特性，给出了非对称石墨烯铁磁异质结中的应变自旋耦合理论，设计了一种全新的石墨烯自旋二极管。
二、、紧束缚微观压电理论和力电耦合关联效应的提出
1、发展两个新的压电物理概念：压电Berry曲率和压电系数陈形式，深刻揭示了压电极化差的微观物理机理。
2、发展紧束缚压电理论框架，提出压电、电声作用和应变赝磁规范场的关联效应。
三、光诱导二维有机金属配合物的拓扑量子相变和量子自旋霍尔效应
给出光与二维有机金属配合物拓扑电性质的相互作用理论，观察到一些新颖的物理现象：
1、 非共振光能使二维有机金属配合物的能带结构发生逆转，其相应的能带拓扑量子数也发生逆转，触发了量子相变现象；
2、共振的圆偏振光在二维有机金属配合物中诱发了新的半金属相和Floquet量子自旋霍尔相。
代表论文：
Li LZ, Wang YH, Wang ZT, Liu, YL, Wang B.
Topological Insulator GMR Straintronics for Low-Power Strain Sensors. ACS Appl. Mater. Inter. 2018, 10:28789-287954.
Wang YH, Wang ZT, Li J, Tan J, Wang B, Liu YL.
Tight-binding piezoelectric theory and electromechanical coupling correlations for transition metal dichalcogenide monolayers. Phys. Rev. B. 2018, 98:125402.
Wang YH, Liu YL, Wang B.
Effects of light on quantum phases and topological properties of two-dimensional Metal-organic frameworks. Sci. Rep. 2017, 7:41644.
Li J, Wang YH, Wang ZT, Tan J, Wang B, Liu YL.
Comment on “Piezoelectricity in planar boron nitride via a geometric phase”. Phys. Rev. B 2018, 98:167403.
Wang YH, Wang B, Liu YL.
Graphene spin diode: Strain-modulated spin rectification. Appl. Phys. Lett. 2014, 105: 052409.
8、磁斯格明子晶格的力学调控及其本征力学性质
近年来，人们在一些具有手性相互作用的磁性体材料及薄膜中成功观测到具有非平凡拓扑性质的二维自旋结构，称作磁性斯格明子。在大部分情况下，磁性斯格明子自发地聚集成一种晶格结构，称作斯格明子晶格。孤立的斯格明子由于其奇特的拓扑性质以及优异的电流驱动性质等“局域化特征”受到人们的广泛关注。与此相对，斯格明子晶格作为一种新颖的宏观磁性相，可能与材料固有的多场耦合性质发生相互作用进而引发许多奇特的宏观物理现象乃至新性质。在此范畴内，人们发现由于手征磁体内禀的磁弹耦合，斯格明子晶格不但对材料的力学性质产生影响，而且在外力作用下自身具备“层展的弹性性质”。我们基于群论，推导了B20族手性磁体普遍适用的磁弹相互作用自由能密度泛函，统一解释了包括磁致伸缩、弹性常数跳跃、磁场-温度相图等实验结果。在此基础上，我们分别解析求解了磁斯格明子晶格的本征应变问题以及其表面位移场（或称为表面构型），首次明确的指出磁斯格明子由于材料内禀的磁弹耦合相互作用，具有本征的力学性质。
代表论文：
Wan XJ, Hu YF and Wang B.
Tunable surface configuration of skyrmion lattices in cubic helimagnets . J. Phys. Conden. Mat. 2018, 30:245001. (24期封面文章)
Wan XJ, Hu YF, Wang B.
Exchange-anisotropy-induced intrinsic distortion, structural transition, and rotational transition in skyrmion crystals. Phys. Rev. B (Accepted)
Hu YF and Wang B.
Unified theory of magnetoelastic effects in B20 chiral magnets.. New J. Phys. 2017, 19:123002.
Hu YF and Wang B.
Reversible "triple-Q" elastic field structures in a chiral magnet. Sci. Rep.
2016, 6:30200.
Wan XJ, Hu YF, Wang B.
磁性斯格明子晶格的磁弹现象与机理. , Acta Phys. Sin. 2018, 67(13): 136201.
9、力学载荷对分子电学特性的调控
分子电子学旨在利用单个分子为结构单元构建诸如分子导线、分子二极管、分子开关等基本电子元件并进而制备功能电路，是新兴交叉学科研究领域。化学研究者已在该方向作出卓有成效的工作，但力学工作者还很少涉及该领域。然而，分子电子器件在使用中必然将受到力学加载的影响。相关研究也已证明，分子的电学特性对力学加载导致的分子结构改变非常敏感。因此，研究力学对分子电子特性的可控性就显得非常重要。
本课题组一方面针对不同本构关系分子电学特性的力学可控性进行了系统研究。运用导电原子力显微镜实验方法，发现了粘弹性单分子层在循环力学加载下连续、可循环、可重复的多电导态，其受加载大小及时间联合调控且具有滞后性及记忆效应。另一方面，我们提出了利用力致结构相变对分子电学特性进行调控的新思路。并结合第一性原理方法及分子动力学模拟预报了通过力学加载实现分子键级重新排列并改变分子载流子特性的现象。该方向相关成果已发表于npj Computational Materials、Nanotechnology、PCCP等期刊，并已被ASC nano、Rep. Prog. Phys等高水平期刊引用及评述。已公开或授权国家发明专利四项。
代表论文：
Zhang XY, Shao J, Jiang SX, Wang B and Zheng Y.
Structure-dependent electrical conductivity of protein: its differences between alpha-domain and beta-domain structures. Nanotechnology 2015, 26:125702.
Zhang XY, Zhang Y, Zheng Y and Wang B.
Mechanical characteristics of human red blood cell membrane change due to C-60 nanoparticle infiltration. Phys. Chem. Chem. Phys.
2013, 15:2473.
Chen Y, Zhang XY, Shao J, Yu J, Wang B, Zheng Y.
The mechanics-modulated tunneling spectrum and low-pass effect of viscoelastic molecular monolayer.. AIP Adv. 2017, 7:105326.
