压电效应[1]是一种基本的机电现象，其中机械应力会引起电极化，反之，施加的电场也会导致机械变形。凭借其独特的双向机电耦合特性，压电材料能够实现能量的直接转换[1],[2],[3]，并在航空航天、生物医学和消费电子等领域得到了广泛应用。随着先进纳米设备的快速发展，对纳米尺度机电材料的需求日益增加，因为持续的小型化对于实现更高的集成密度、增强功能性和提升性能至关重要。在纳米尺度上，由于尺寸和形状效应的显著影响，出现了新的极化模式——如涡旋[4,5]和螺旋[6,7]，这些模式导致的畴结构与块体材料中的完全不同。这些独特的极化配置产生了非传统的机电响应，包括巨压电效应和强各向异性，为科学探索和功能性器件应用开辟了新的途径。
尽管大多数压电和铁电材料表现出正的纵向压电系数（即沿电场方向膨胀），但一些研究发现在某些系统中（如铁电聚合物聚偏二氟乙烯PVDF）存在负的纵向压电效应，表现为在电场作用下的收缩。PVDF中的这种异常行为源于其混合相结构，而单相材料中的真正负压电系数长期以来一直未被发现。最近，不仅在结构特殊的系统（如范德华层状铁电材料[8]）中发现了负压电效应，而且在具有常规晶体结构的材料（包括BN、ZrO?和HfO?[9],[10],[11],[12]）中也观察到了这一现象。这一新兴的物理现象为更广泛的发现和探索提供了可能性，同时也为下一代存储和传感器件应用带来了潜力。
除了负的纵向压电系数外，电辅助效应（负泊松比的压电类比）也作为一个新概念出现。在传统的压电材料（如PbTiO?和PVDF）中，纵向和横向压电系数通常表现出相反的符号（例如，正的d??与负的d??/d??，或反之）。然而，第一性原理计算表明HfO?同时具有负的纵向和横向压电系数，这促使了电辅助效应的概念提出，其压电系数之间的符号关系类似于电辅助弹性响应[14]。最近，通过在Au/Nb:SrTiO?结中进行界面取向工程，实验上实现了所有系数均为正的电辅助压电现象[13]。与负压电效应类似，电辅助效应也代表了一种非传统的机电响应，具有进一步探索的前景。
晶格缺陷在调节材料性质方面起着重要作用，包括电学、光学、磁学和化学行为。例如，氧空位与其他点缺陷的结合可以导致局部铁电极化和磁有序[15,16]，从而使这些缺陷结构能够作为纳米尺度的多铁性实体发挥作用。这些新兴性质源于缺陷形成导致的局部晶格对称性的破坏，从而改变了受限区域内的电子和磁环境。最近还有报道指出，由氧空位与其他点缺陷在氧化物中的结合产生的缺陷偶极子的积累和空间排列可以引起巨大的电应变[17],[18],[19],[20],[21]。这意味着这些缺陷偶极子本身具有内在的机电功能，并可能在原子尺度上作为机电活性单元发挥作用。然而，到目前为止，尚未直接观察到或缺陷偶极子本身的机电响应及其潜在特性。
在这项研究中，我们专注于KTaO?[22]中热力学稳定的K-O空位缺陷偶极子，这种材料本身不具备压电性。我们利用第一性原理计算探讨了通过引入这类缺陷在原子尺度上诱导负压电响应和电辅助效应的可能性。
