新機制：在氫鍵鐵電體中，獲得超高壓電係數 | NSR

2020-12-14 知社學術圈

壓電材料可實現電能與機械能的相互轉換，在傳感器、驅動器、能量回收等領域具有非常廣泛的應用前景。目前，高性能壓電材料主要有鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷、鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛弛豫鐵電單晶等，但這些材料都含有重金屬鉛元素。因此，研發性能優異、環境友好的壓電材料是壓電領域的關鍵科學問題之一。


研究者提出了一種在氫鍵鐵電體中獲得超高壓電係數的新思路。此類壓電材料還兼具環保（不含鉛）、柔性等優點，有望在力電、熱電轉化領域開拓新機遇。

最近，華中科技大學研究團隊(博士生任洋洋和吳夢昊教授)和南京大學劉俊明教授在《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 發表研究論文，提出了一個獲得高壓電係數的思路。這一思路極為簡單：根據朗道連續相變模型，如果微小應變能顯著改變鐵電居裡溫度，那麼在理論上，壓電係數在居裡溫度附近可能趨於無限大。

按照上述思路，要在室溫下獲得這種高壓電係數，需要滿足兩個條件：(1)居裡溫度應該在室溫附近；(2) 居裡溫度應該對應變敏感。

傳統壓電材料（如BaTiO3和若干功能氧化物體系）的居裡溫度都遠遠高於室溫，室溫下施加應變後的極化改變量ΔP不夠大，不滿足上述條件(下圖a）。

而許多氫鍵鐵電體的居裡溫度在200-400K，有望滿足這兩個條件，從而成為理想候選者。例如，有機鐵電體PHMDA和[H-55DMBP][Hia]的居裡溫度分別為363K和268K。更進一步，氫鍵的力學特性使得材料在外力作用下很容易壓縮或拉伸，而且質子躍遷勢壘以及居裡溫度都會隨應變而顯著改變。這一特性給調控帶來極大便利(下圖1b）。

傳統鈣鈦礦鐵電體（a）和氫鍵鐵電體（b）在應變作用下的極化隨溫度變化。

結合第一性原理與蒙特卡洛模擬，論文作者揭示：2 % 的拉伸應變便足以將某些氫鍵鐵電體的質子轉移勢壘及居裡溫度提升2倍。此時，我們可以在一個方向上施加特定的應變使得居裡溫度精確調節到室溫，則在另一個方向上只需施加一微小應變，便可得到很大的鐵電極化變化和超高壓電性（模型如下圖a）。

（a）固定y方向應變，調節z方向，獲得高壓電係數。（b）以PHMDA為例，蒙特卡洛模擬不同應變下極化（Ps）隨溫度（T）的變化。

比如在PHMDA中，可沿-y方向施加一個2%的壓縮應變，將居裡溫度從363K調節到315K並固定下來。此時，如果在-z方向壓縮0.1%，則理論上可獲得的平均壓電係數將達到2058 pC/N (如上圖b)。如果-z方向施加的是更輕微的壓縮應變，這個壓電係數值還將進一步增大。

之前有實驗報導，SbSI在接近居裡溫度時壓電係數極大提升，該現象也可以通過文章中提出的這一新機制來解釋。

理論上，該文提出的巨壓電新機制可用於大多數氫鍵鐵電材料。而具有氫鍵的有機或無機鐵電材料種類繁多，為證實並應用這一機制提供了廣闊的空間。這一機制可能成為發展高性能壓電材料的一條潛在途徑。

https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwaa203/5898684

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