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Science报道东南大学在分子压电材料取得突破
2017年07月23日    作者: 付雪峰,黄宝晟,陈拥军    发布 : 化学科学部

在国家自然科学基金项目(项目编号:21290172,91422301,21427801、21290170)及其他部门项目的资助下,东南大学有序物质科学研究中心游雨蒙课题组与合作者在压电材料领域取得重要研究进展。相关研究结果以“An organic-inorganic perovskite ferroelectric with large piezoelectric response(一种具有巨大压电响应的有机-无机钙钛矿铁电体)”为题于2017年7月21日在线发表于《Science》杂志。

论文链接:http://science.sciencemag.org/content/357/6348/306.editor-summary

自1880年居里兄弟首次发现压电效应以来,这种可以直接实现机械能与电能相互转换的材料已经广泛应用于水声系统、超声波换能器、声表面波器件、致动器、高压电源、微电子机械加工等领域,成为深入到现代社会各个层面的重要功能材料。现代压电材料以钛酸钡(BTO)和锆钛酸铅(PZT)等无机陶瓷铁电体为主,尽管它们具有优异的压电系数和较高的相变温度,但其成膜成本高、制备需高温烧结、柔韧性差、含有潜在毒性元素等缺点也不容忽视。虽然分子铁电材料凭借其全液相合成、结构灵活多变、成膜容易、绿色环保等一系列优点受到广泛的关注,而且其铁电性能也逐步赶上甚至部分超越陶瓷铁电体,压电性一直是分子铁电体的短板。130余年来,尽管研究人员作出了大量的努力,但从未发现任何一个分子基材料具有可以与常规单组分无机压电材料相媲美的压电特性。为了解决这一实际难题,依托于东南大学有序物质科学研究中心成立了江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室,从结构特性入手,构造出了具有类似BTO的钙钛矿结构和相变特性的三甲基氯甲基铵氯酸锰(II)盐(TMCM-MnCl3)、三甲基氯甲基铵氯酸镉盐(TMCM-CdCl3)这两种多轴铁电体,由于它们晶体的独特对称性,这两种分子铁电体属于全铁电-半铁弹材料,因此在外加应力下造成极化的旋转,最终导致其拥有高达185 pC/N(TMCM-MnCl3)和220 pC/N(TMCM-CdCl3)的压电系数(d33)。这样巨大的d33不但远远超过已知所有分子基材料,更是首次达到了无机陶瓷BTO的水平(d33 = 190 pC/N)。此外,团队不但研究了体相块材的铁电/压电特性,还利用压电力显微镜,对微米尺度下材料的6个极轴和12个极化方向进行了标定。同时,通过对薄膜样品的制备,还成功的观测到了厚度仅有数微米的分子铁电薄膜中的铁电翻转和压电效应。

这一研究成果,不但解决了130年来制约分子材料发展的难题,打破了无机金属氧化物在压电材料领域的垄断地位,也为分子材料在机-电转换、超声换能、声探测、声检测等方向打开了一条崭新的道路。这一创新工作的发表,也标志着我国研究人员已经开始在分子铁电这一重要的研究领域中处于领跑地位。

熊仁根游雨蒙成果图二20170723.jpg

图(左)TMCM-MnCl3的相变示意图,在居里温度(406K)以上时,该分子处于无序的顺电相,没有压电效应,当温度降至居里温度以下时,材料进入极性的铁电相,并展示出高达185 pC/N的d33。(右)简单对比了TMCM-MnCl3和其他常见铁电体的d33。

近年来,在国家自然科学基金的大力支持下,东南大学有序物质科学研究中心的研究人员在分子铁电领域不断取得令人瞩目的进展。压电特性和铁电性是铁电体的重要应用出口。分子铁电体作为传统无机陶瓷铁电体的有益补充和替代,在基础研究和高技术应用方面具有重要的价值。他们在2013年首次发现饱和极化值以及相变温度均可以和无机铁电材料钛酸钡相媲美的二异丙胺氯盐和溴盐(Adv. Mater., 2011, 23, 5658; Science, 2013, 339, 425)后,又针对长期以来被忽视的多极轴特性开展研究,发现了包括已知极轴最多的高氯酸四乙基铵等多种多极轴分子铁电体和分子铁电薄膜(J. Am. Chem. Soc.2016 138, 13175; J. Am. Chem. Soc.2016 138, 15784;J. Am. Chem. Soc.2017 139, 3954; Adv. Mater. 2017 1700831;Nat. Commun. 2016 7, 13635;Nat. Commun. 2017 8, 14934等),打破了长期束缚分子铁电应用中对大尺寸单晶样品的依赖,引领分子铁电研究进入了多晶和薄膜的时代。与此同时,团队还针对“功能性”对分子铁电体进行了一系列设计和调控,获得了具有优异荧光量子产率的一系列含Mn化合物,成功的将本征发光特性引入分子铁电系统(J. Am. Chem. Soc. 2015 137,4928;J. Am. Chem. Soc. 2015 137,13148; Adv. Mater. 201727, 3942)。

(化学科学部  付雪峰,黄宝晟,陈拥军)

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