清華新聞網2月21日電 近日，清華大學微電子所王曉紅課題組在《美國化學學會·納米》（ACS Nano，影響因子：13.33）在線發表了《通過β晶向自調控實現具有超高壓電性的聚合物納米纖維》（Ultrahigh Piezoelectric Polymeric Nanofibers via Self-Orientation of β-Phase Nanocrystals）研究論文，揭示了壓電聚合物納米纖維的壓電晶相在氧化石墨烯片層的包裹下形成芯-殼結構的同時進行自我調控過程。該論文的審稿人指出，「這項工作提出了非常有趣的設計和得到了很好的結果」，「這項工作非常新穎，具有非常大的應用前景和調控材料性能」。
壓電納米纖維材料結構模型和表徵驗證結果。
隨著可穿戴電子和能量收集領域的興起，壓電聚合物材料再度引起研究者的關注。因傳統的壓電聚合物受限於壓電材料本身的半晶態（或者非晶態），導致其壓電常數遠低於壓電陶瓷等材料。該項研究首次創造性地設計了一種芯-殼結構，利用外層包裹的氧化石墨烯來使中間的聚合物鏈從非極性的α相轉為極性的β相，並且利用納米纖維的一維結構和機械拉伸，實現壓電β相聚合物長鏈單向排布，並且在外界電場的調控下，實現具有一致的極化方向，從而極大地提高了納米纖維的壓電性能。
從結構的角度來看，傳統聚合物壓電材料受外界物理作用，可以使非極性的晶相轉化為極性。但是，一方面由於材料本身的熱效應等作用，極性晶相併不穩定；另一方面，由於各個壓電晶相的極化方向不盡相同，相反極化方向的晶相會相互抵消，材料呈現出的壓電性能並不理想。該項研究利用先進的二維材料來調控納米聚合物纖維的晶相，極大地提升了聚合物的壓電性能。該研究方法為未來實現不同材料性能的調控提供了很有前瞻性的借鑑。
芯-殼納米纖維結構表徵結果：（a）纖維的表面形貌圖，（b）纖維的TEM圖，（c）和（d）纖維上的原子定向排布。
清華大學微電子所王曉紅教授為該論文的通訊作者，微納電子系博士生劉霞為第一作者，清華大學材料學院馬靜助理教授、微電子所伍曉明副教授以及美國加州大學伯克利分校林立偉教授為本文的共同作者。該研究成果得到了國家自然科學基金和國家基礎研究基金等項目的支持。
據悉，近年來，王曉紅教授所帶領的研究團隊致力於微能源的研究，包括能量轉換、儲存、管理等各方面，該論文是繼2016年9月在《美國化學學會·納米》在線發表題為《用於可穿戴的集成電子系統的具有蜂窩結構的可拉伸超級電容陣列》（「Highly Stretchable Microsupercapacitor Arrays with Honeycomb Structures for Integrated Wearable Electronic Systems」）論文後，該研究團隊的又一重要研究成果。
論文連結：
http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsnano.6b07961
供稿：微電子所 編輯：李華山 徐 靜