有機(jī)無(wú)機(jī)鈣鈦礦分子壓電材料研究獲進(jìn)展

　　日前，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與東南大學(xué)教授熊仁根、游雨蒙團(tuán)隊(duì)及美國(guó)托萊多大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)等單位聯(lián)合，在有機(jī)無(wú)機(jī)鈣鈦礦分子壓電材料取得突破。相關(guān)研究工作已于7月21日在《科學(xué)》（Science）發(fā)表。東南大學(xué)為第一通訊單位，美國(guó)托萊多大學(xué)、深圳先進(jìn)院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究室為共同通訊單位，東南大學(xué)教授游雨蒙、博士廖偉強(qiáng)等為共同第一作者，熊仁根為第一通訊作者。 

　　近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，鐵電材料除了在信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用之外，其優(yōu)良的壓電性能也廣受關(guān)注。隨著鐵電體研究的發(fā)展，由無(wú)機(jī)陶瓷所組成的鐵電體占據(jù)了研究的主流。作為無(wú)機(jī)陶瓷鐵電體的代表，鈦酸鋇（BTO）具有高自發(fā)極化（26 μC/cm2）、高居里溫度（393K）和較大壓電系數(shù)（190pC/N），并被廣泛應(yīng)用于水聲系統(tǒng)、超聲波換能器、聲表面波電子器件、高應(yīng)變執(zhí)行器、高貯能密度系統(tǒng)、微電子機(jī)械加工等領(lǐng)域，成為深入到現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)層面的重要功能材料。盡管如此，無(wú)機(jī)陶瓷鐵電體成膜成本高、制備需高溫?zé)Y(jié)、含有潛在毒性元素等缺點(diǎn)也逐漸暴露出來(lái)。與之相比，分子鐵電體兼具輕量、柔性、結(jié)構(gòu)靈活、易成膜、全液相合成、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)新一代薄膜器件、微電子機(jī)械系統(tǒng)、可穿戴設(shè)備的發(fā)展需求。 

　　為了推動(dòng)分子鐵電材料的實(shí)用化進(jìn)程，來(lái)自國(guó)內(nèi)外的許多科學(xué)家都致力于獲取性能優(yōu)良的新型分子鐵電體。結(jié)合多年來(lái)在優(yōu)化鐵電性能方面的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)分子材料體系壓電性能的探索，江蘇省“分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用”重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)、美國(guó)托萊多大學(xué)、深圳先進(jìn)院、北京大學(xué)、南京大學(xué)的科研人員開(kāi)展通力合作，終于得到了兩例具有高居里溫度（>400 K）的有機(jī)-無(wú)機(jī)鈣鈦礦型多極軸分子鐵電體：三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽(TMCM-MnCl3)和三甲基氯甲基銨鎘酸鹽(TMCM-CdCl3)。由于它們特殊的全鐵電-半鐵彈特性，使其在應(yīng)力下可以發(fā)生特殊的極化旋轉(zhuǎn)，從而獲得了高達(dá)185 pC/N和220 pC/N的壓電系數(shù)（d33）。這兩例分子的d33不僅超過(guò)以往所有分子材料，還接近甚至超越了BTO。除了體相塊材的鐵電、壓電特性，團(tuán)隊(duì)還利用壓電力顯微鏡在微米尺度上對(duì)材料的六個(gè)極軸方向進(jìn)行標(biāo)定，同時(shí)，通過(guò)簡(jiǎn)單的溶液法制備出厚度為微米級(jí)的薄膜樣品，并成功觀測(cè)到鐵電翻轉(zhuǎn)和壓電效應(yīng)。這一原創(chuàng)性的研究成果打破了傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)金屬氧化物在壓電領(lǐng)域的壟斷地位，為分子材料在機(jī)-電轉(zhuǎn)換、超聲換能、聲探測(cè)、聲檢測(cè)等方向的應(yīng)用拓展開(kāi)啟嶄新的道路。 

　　該研究得到國(guó)家科技部973項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)和自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃、重大儀器研制計(jì)劃等項(xiàng)目支持。

圖1  三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽的鐵電、介電和壓電性能

圖2  三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽的鐵電疇結(jié)構(gòu)、壓電響應(yīng)和多極軸特性