有機無機鈣鈦礦分子壓電材料研究獲進展

　　日前，中國科學院深圳先進技術研究院與東南大學教授熊仁根、游雨蒙團隊及美國托萊多大學、南京大學、北京大學等單位聯合，在有機無機鈣鈦礦分子壓電材料取得突破。相關研究工作已于7月21日在《科學》（Science）發表。東南大學為第一通訊單位，美國托萊多大學、深圳先進院納米調控與生物力學研究室為共同通訊單位，東南大學教授游雨蒙、博士廖偉強等為共同第一作者，熊仁根為第一通訊作者。

　　近一個世紀以來，鐵電材料除了在信息存儲等領域發揮著不可或缺的作用之外，其優良的壓電性能也廣受關注。隨著鐵電體研究的發展，由無機陶瓷所組成的鐵電體占據了研究的主流。作為無機陶瓷鐵電體的代表，鈦酸鋇（BTO）具有高自發極化（26 μC/cm2）、高居里溫度（393K）和較大壓電系數（190pC/N），并被廣泛應用于水聲系統、超聲波換能器、聲表面波電子器件、高應變執行器、高貯能密度系統、微電子機械加工等領域，成為深入到現代社會各個層面的重要功能材料。盡管如此，無機陶瓷鐵電體成膜成本高、制備需高溫燒結、含有潛在毒性元素等缺點也逐漸暴露出來。與之相比，分子鐵電體兼具輕量、柔性、結構靈活、易成膜、全液相合成、環保節能等優點，更能適應新一代薄膜器件、微電子機械系統、可穿戴設備的發展需求。

　　為了推動分子鐵電材料的實用化進程，來自國內外的許多科學家都致力于獲取性能優良的新型分子鐵電體。結合多年來在優化鐵電性能方面的經驗和對分子材料體系壓電性能的探索，江蘇省“分子鐵電科學與應用”重點實驗室團隊、美國托萊多大學、深圳先進院、北京大學、南京大學的科研人員開展通力合作，終于得到了兩例具有高居里溫度（>400 K）的有機-無機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，使其在應力下可以發生特殊的極化旋轉，從而獲得了高達185 pC/N和220 pC/N的壓電系數（d33）。這兩例分子的d33不僅超過以往所有分子材料，還接近甚至超越了BTO。除了體相塊材的鐵電、壓電特性，團隊還利用壓電力顯微鏡在微米尺度上對材料的六個極軸方向進行標定，同時，通過簡單的溶液法制備出厚度為微米級的薄膜樣品，并成功觀測到鐵電翻轉和壓電效應。這一原創性的研究成果打破了傳統的無機金屬氧化物在壓電領域的壟斷地位，為分子材料在機-電轉換、超聲換能、聲探測、聲檢測等方向的應用拓展開啟嶄新的道路。

　　該研究得到國家科技部973項目、國家重點研發計劃納米科技重點專項和自然科學基金委重大研究計劃、重大儀器研制計劃等項目支持。

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）鹽的鐵電疇結構、壓電響應和多極軸特性