熊仁根教授Science最新大作:一種壓電性強於鋯鈦酸鉛的分子鈣鈦礦固溶體

2021-01-19 材料人

壓電材料在應變時會產生電信號，因此非常適合不同類型的傳感應用。最有效的壓電材料是陶瓷固溶體，其中壓電效應在所謂的準同型相界（MPB）中得到優化。雖然，鋯鈦酸鉛（PZT）這樣的陶瓷材料是高性能的壓電材料，但是對材料的結構相變具有很強的依賴性。而鐵電體屬於壓電體的一種，分子鐵電體具有獨特的結構可調性、機械柔性和低聲阻抗等特性，以及具有環保加工、低成本和生物相容性的潛力。熊仁根團隊2017年在Science報導的TMCM-CdCl3系列化合物中單組分有機-無機鈣鈦礦分子鐵電體，其d33高於鈦酸鋇，但仍然遠低於其他無機鐵電固溶體。因此，設計一種具有與工業標準陶瓷鋯鈦酸鉛相當的壓電性能的分子鐵電體作為陶瓷固溶體，將開闢新的應用領域，解決一個世紀以來的難題。

今日，在南昌大學&東南大學熊仁根教授（通訊作者）的帶領下，通過沒有高溫燒結的室溫溶液工藝，合成分子鈣鈦礦(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3（TMFM：三甲基氟甲基銨；TMCM：三甲基氯甲基銨，0≤ x≤1）固溶體壓電材料，其中MPB存在於單斜相和六方相之間。團隊發現了一種壓電係數d33約為1540皮庫倫/牛頓的組分，該組分接近準同型相界（MPB），比單分子壓電材料（~220pC/N）高7倍，是高端PZT（200至750 pC/N）的兩倍，所以可以與高性能壓電陶瓷相媲美。該材料具有可穿戴壓電器件的潛在應用前景。相關成果以題為「A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate」發表在了Science上。


圖1 (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3固溶體(0≤x≤1)不同相的晶體結構


圖2 (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3固溶體的誘導相變


圖3 (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3固溶體的鐵電性質(0≤x≤1)


圖4 (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3固溶體（0≤x≤1）的壓電和鐵電性能

文獻連結：A molecular perovskite solid solution with piezoelectricity stronger than lead zirconate titanate（Science, 2019, DOI：10.1126/science.aav3057）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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