研究者提出了一種在氫鍵鐵電體中獲得超高壓電系數(shù)的新思路

壓電材料可實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換，在傳感器、驅(qū)動(dòng)器、能量回收等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)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(fā)性能優(yōu)異、環(huán)境友好的壓電材料是壓電領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

研究者提出了一種在氫鍵鐵電體中獲得超高壓電系數(shù)的新思路。此類壓電材料還兼具環(huán)保（不含鉛）、柔性等優(yōu)點(diǎn)，有望在力電、熱電轉(zhuǎn)化領(lǐng)域開(kāi)拓新機(jī)遇。

最近，華中科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)(博士生任洋洋和吳夢(mèng)昊教授)和南京大學(xué)劉俊明教授在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review，NSR) 發(fā)表研究論文，提出了一個(gè)獲得高壓電系數(shù)的思路。這一思路極為簡(jiǎn)單：根據(jù)朗道連續(xù)相變模型，如果微小應(yīng)變能顯著改變鐵電居里溫度，那么在理論上，壓電系數(shù)在居里溫度附近可能趨于無(wú)限大。

按照上述思路，要在室溫下獲得這種高壓電系數(shù)，需要滿足兩個(gè)條件：(1)居里溫度應(yīng)該在室溫附近；(2) 居里溫度應(yīng)該對(duì)應(yīng)變敏感。

傳統(tǒng)壓電材料（如BaTiO3和若干功能氧化物體系）的居里溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于室溫，室溫下施加應(yīng)變后的極化改變量ΔP不夠大，不滿足上述條件(下圖a）。

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

傳統(tǒng)鈣鈦礦鐵電體（a）和氫鍵鐵電體（b）在應(yīng)變作用下的極化隨溫度變化。

結(jié)合第一性原理與蒙特卡洛模擬，論文作者揭示：2 % 的拉伸應(yīng)變便足以將某些氫鍵鐵電體的質(zhì)子轉(zhuǎn)移勢(shì)壘及居里溫度提升2倍。此時(shí)，我們可以在一個(gè)方向上施加特定的應(yīng)變使得居里溫度精確調(diào)節(jié)到室溫，則在另一個(gè)方向上只需施加一微小應(yīng)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(yīng)變，調(diào)節(jié)z方向，獲得高壓電系數(shù)。（b）以PHMDA為例，蒙特卡洛模擬不同應(yīng)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(gè)2%的壓縮應(yīng)變，將居里溫度從363K調(diào)節(jié)到315K并固定下來(lái)。此時(shí)，如果在-z方向壓縮0.1%，則理論上可獲得的平均壓電系數(shù)將達(dá)到2058 pC/N (如上圖b)。如果-z方向施加的是更輕微的壓縮應(yīng)變，這個(gè)壓電系數(shù)值還將進(jìn)一步增大。

之前有實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)，SbSI在接近居里溫度時(shí)壓電系數(shù)極大提升，該現(xiàn)象也可以通過(guò)文章中提出的這一新機(jī)制來(lái)解釋。

理論上，該文提出的巨壓電新機(jī)制可用于大多數(shù)氫鍵鐵電材料。而具有氫鍵的有機(jī)或無(wú)機(jī)鐵電材料種類繁多，為證實(shí)并應(yīng)用這一機(jī)制提供了廣闊的空間。這一機(jī)制可能成為發(fā)展高性能壓電材料的一條潛在途徑。

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