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本網(wǎng)訊（國際有序物質(zhì)科學研究院）近日，南昌大學國際有序物質(zhì)科學研究院在分子鐵電體大晶體生長和機電耦合系數(shù)表征方面的研究取得了重要進展，相關(guān)成果以“Inch-Size Molecular Ferroelectric Crystal with a Large Electromechanical Coupling Factor on Par with Barium Titanate”為題發(fā)表于J. Am. Chem. Soc.。

早在2017年，東南大學分子鐵電研究團隊游雨蒙教授等就發(fā)現(xiàn)了一例高壓電性分子鐵電體三氯合鎘酸三甲基氯甲基銨（TMCM-CdCl3），其壓電系數(shù)d33達到了220 pC/N，與無機陶瓷鈦酸鋇（BTO）相當，這一成果同年發(fā)表于頂級期刊Science上。然而，當時由于晶體尺寸較小，該材料的機電耦合系數(shù)k33一直難以準確表征。機電耦合系數(shù)反映了機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的效率，對壓電材料的實際應(yīng)用至關(guān)重要。例如，醫(yī)用超聲成像探頭要求壓電材料同時具有高的d33和k33以獲得寬廣的探測范圍和高的圖像分辨率。已報導(dǎo)的分子鐵電體的k33一直遠低于無機陶瓷BTO（0.5）和鋯鈦酸鉛（0.54~0.75），大大限制了它們的應(yīng)用。為精確測定分子鐵電體的機電耦合系數(shù)，需要對單晶進行定向切割出特定的形狀，因此首先要獲得大尺寸的分子鐵電單晶。于是，南昌大學國際有序物質(zhì)科學研究院研究團隊與江西海源復(fù)合材料科技股份有限公司開展合作，設(shè)計開發(fā)儀器設(shè)備來生長大塊分子鐵電晶體。通過反復(fù)試驗和改進，最終摸清了通過溶液降溫法生長TMCM-CdCl3大單晶的條件參數(shù)。經(jīng)過幾年的不懈努力，團隊已經(jīng)能夠生長出英寸級大小的TMCM-CdCl3分子鐵電單晶，三維尺寸達到36 × 30 × 19 mm3，如圖1所示。

圖1. (a)大塊TMCM-CdCl3分子鐵電單晶；(b)不同規(guī)格的晶柱和晶片

在成功制備大尺寸單晶的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合分子鐵電體的對稱性和壓電系數(shù)矩陣，獲得特定方向和尺寸的晶體切片，才能對它的機電耦合系數(shù)進行準確表征。南昌大學國際有序物質(zhì)科學研究院科研人員呂慧鵬經(jīng)過近一年的摸索，對TMCM-CdCl3晶體進行定向和切割，得到符合測試標準的晶柱和晶片（圖1b），并利用動態(tài)諧振法測定了它們的機電耦合系數(shù)。圖2a展示了TMCM-CdCl3晶柱明顯的諧振行為，經(jīng)過測算其k33達到了0.483，遠大于經(jīng)典的分子壓電體硫酸三甘氨酸（TGS, k33~0.11）和壓電聚合物聚偏氟乙烯（PVDF, k33~0.2），甚至接近于無機壓電陶瓷BTO（k33~0.5, 圖2b）。并且，高質(zhì)量的大塊單晶使得壓電系數(shù)d33進一步提高到383 pC/N，超越了此前報道的數(shù)值。此外，TMCM-CdCl3在其他振動模式下同樣具有高的機電耦合系數(shù)k31和k15 (0.624和0.423)，壓電系數(shù)d31和d15（176和667 pC/N）也超越以往。TMCM-CdCl3還表現(xiàn)出柔性特征，其彈性模量和硬度（13.03和0.60 GPa）接近于BTO的十分之一。

圖2. (a)TMCM-CdCl3晶柱的諧振行為; (b) TMCM-CdCl3與其他壓電材料機電耦合系數(shù)k33的對比

這一工作展現(xiàn)出分子鐵電體TMCM-CdCl3高的機電耦合系數(shù)，這賦予其在柔性、便攜和可穿戴壓電器件巨大的應(yīng)用前景。同時，本工作對進一步探索高機電耦合系數(shù)分子鐵電材料具有積極的推動作用。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c11213

編    輯：付自強

責任編輯：許  航