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南昌大学熊仁根第4篇Science:攻克世纪难题,钙钛矿分子铁电体重大突破!

来源:

纳米人微信公众号

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  第一作者:Wei-Qiang Liao、Dewei Zhao、Yuan-Yuan Tang、Yi Zhang

  通讯作者:Ren-Gen Xiong

  通讯单位:南昌大学、东南大学

  研究亮点:

  1.发明了一种分子固溶体钙钛矿材料。

  2.实现了与工业标准陶瓷锆钛酸铅(PZT)相当的压电性能。

  压电材料是指在压力作用下产生电信号,或者在电场作用下发生机械形变的材料。1880年,居里兄弟发现在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使晶体表面出现电荷,并且电荷的密度与施加外力的大小成比例,这就是压电材料的正压电效应。随后,居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应,并且得到了石英晶体的正逆压电系数。石英晶体是最早发现的压电晶体,也是目前最好的和最重要的压电晶体之一。压电材料允许机械能和电能之间的转换,因而电信,医学成像和超声设备等诸多领域具有广泛的工业和商业应用。

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PZT晶体结构

  1954年,Jaffe提出了一种优化压电性的策略。他首先认识到锆钛酸铅(PZT)陶瓷固溶体的机电响应在相界处得到最大化,具有准同型相界(MPB)的材料对结构相变具有强烈的成分依赖性,可使压电系数(d33)最大化,这些材料包括多种无铅(d33为100至700 pC / N)(7-10)和含铅(d33为700至2500pC / N)固溶体。

  本研究拟解决的关键问题

  压电材料在变形时会产生电荷,因此非常适合各种类型的传感器。然而,几乎所有高性能压电材料都是陶瓷材料,这很难满足可穿戴器件对于柔性传感器的迫切需求。铁电体属于压电体的一种,分子铁电体具有结构可调性,机械柔韧性和低声阻抗等特性,以及可环保加工,低成本和生物相容性等优势。2017年,熊仁根团队就在Science报道了一种单组分有机-无机钙钛矿分子铁电体的报道,其d33高于钛酸钡,但是仍远低于其他无机铁电固液体。

  因此,设计具有与陶瓷固溶体相当的压电特性的分子铁电体,是扩展压电材料应用领域的关键问题,也是困扰科学家长达一个世纪的重要挑战。

  成果简介

  有鉴于此,南昌大学熊仁根教授带领的研究团队报道了一种分子固溶体钙钛矿材料,具有与工业标准陶瓷锆钛酸铅相当的压电性能。

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图1.(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3(0≤x≤1)晶体结构

  要点1:分子固溶体钙钛矿的制备

  在工业PZT制备中,往往通过1250 ℃高温烧结的方式,将两个或多个原子(譬如Zr和Ti)混合到晶体结构中,以保持电荷平衡。而分子固溶体的制备则要复杂得多,因为混合发生在分子之间,不同化学组分难以保持在单一均相中,这也是为什么分子固溶体如此罕见的重要原因。

  与PZT二元固溶体类似,研究团队发现TMFM-CdCl3具有与PbZrO3相同的关键作用。他们使用室温溶液处理方法,合成了一种单晶固溶体(TMFM) x(TMCM) 1-xCdCl3(0≤x≤1),单斜相和六方相之间存在MPB。由于室温溶液工艺中没有高温烧结的程序,因此这种固溶体薄膜可以在各种基材(包括柔性基材)上沉积,使其应用于各种柔性可穿戴设备中。

  注:TMFM是三甲基氟甲基铵,TMCM是三甲基氯甲基铵

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图2. TMFM诱导相变

  要点2:优异的铁电和压电性能

  研究发现,对于这种分子钙钛矿固溶体(TMFM) x(TMCM) 1-xCdCl3(0≤x≤1),当x = 0.26时,接近准同型相界(MPB),d33 约为1540 pC/N,比单分子压电对应物(~220pC / N)高7倍,是高端PZT(200至750 pC/N)的两倍。

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图3.铁电性能

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图4.压电和铁电性能

  小结

  总之,这项研究发展了一种与工业标准陶瓷锆钛酸铅相当的压电性能的分子钙钛矿固溶体,将为压电材料在柔性可穿戴器件领域的应用拓展提供全新的思路。

  拓展阅读

  2013年1月,熊仁根教授团队(东南大学第一单位)在Science杂志上发表了分子铁电晶体的重要阶段性研究成果。

  2017年7月,熊仁根教授团队(东南大学第一单位)再次在Science杂志上发表了分子铁电、压电材料的重要阶段性研究成果。

  2018年7月,熊仁根教授团队(东南大学第一单位)第三次发表Science,首次发明了全有机钙钛矿铁电材料,具有和BaTiO3相当的铁电性能。

  3月15日凌晨,熊仁根教授团队(南昌大学第一单位)第四次发表Science,攻克世纪难题,发明了一种分子固溶体钙钛矿材料,具有与工业标准陶瓷锆钛酸铅相当的压电性能。

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熊仁根教授

  熊仁根,南昌大学教授、东南大学教授,博士生导师。教育部长江学者特聘教授(2004年),国家杰出青年基金获得者(2002年),2017年获国家自然科学二等奖《新型分子基铁电体的基础研究》(排名第一)。熊仁根教授在国内率先从事分子基铁电材料研究,已在分子基铁电体的研究领域取得了一些非常有意义的结果,并在国际一流学术刊物上发表,推进并引领了分子铁电体领域的发展。

  参考文献:

  Wei-QiangLiao,Dewei Zhao,Yuan-Yuan Tang, Yi Zhang,Ren-Gen Xiong et al. A molecularperovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconatetitanate. Science 2019, 363, 1206-1210.

  http://science.sciencemag.org/content/363/6432/1206


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