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    我国学者在分子压电固溶体领域取得重要进展

    日期 2019-03-20   来源:化学科学部   作者:梁振兴 张国俊 董建华 陈拥军  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21831004,21427801,91422301,91856114,91622113)的资助下,南昌大学和东南大学科研团队合作在分子压电材料领域取得重要阶段性进展。相关研究结果以“A Molecular Perovskite Solid Solution with Piezoelectricity Stronger than Lead Zirconatetitanate(压电性强于锆钛酸铅的分子钙钛矿固溶体)”为题于2019年3月15日在线发表于Science(《科学》)杂志。论文链接:http://science.sciencemag.org/content/363/6432/1206。

      压电材料能够直接实现机械能与电能的相互转换,广泛应用于传感器、换能器、驱动器等领域。1954年,Jaffe等首次发现无机陶瓷固溶体锆钛酸铅(PbZrO3-PbTiO3,PZT)的物理性质特别是压电性质在准同型相界(MPB)处达到峰值。PZT压电系数d33(200–750pC/N)可以达到单一组分钛酸铅(PbTiO3)的十几倍。目前,占应用主流的压电材料是具有MPB的PZT等无机陶瓷固溶体,存在柔韧性差、重金属密度大、需要高温烧结制备等缺点;分子材料具有柔性、轻量、易于合成、生物兼容性好等特点,在过去六十余年里,人们一直在探索PZT的分子替代品或补充品。

      设计分子压电固溶体首先要在单一组分分子压电材料上有所突破。2017年,东南大学科研团队设计合成了d33高达220 pC/N的分子钙钛矿三氯合镉酸三甲基氯甲基铵(TMCM-CdCl3),d33可以和单一组分无机铁电体PbTiO3(190 pC/N)相媲美(Science 2017, 357, 306)。寻找类似于PZT中PbZrO3的分子钙钛矿则面临巨大的挑战,南昌大学和东南大学研究团队根据相似相容原理(附表),发现三氯合镉酸三甲基氟甲基铵(TMFM-CdCl3)可以和TMCM-CdCl3 构筑分子钙钛矿固溶体(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3(0 ≤ x ≤ 1)(附图A和B)。在0.25 ≤ x ≤ 0.3时存在MPB(附图A),d33是单一组分TMCM-CdCl3(220 pC/N)的五到七倍(附图C和D),超越了PZT。本工作表明:在压电性能方面,柔性分子压电材料可以与传统硬的无机陶瓷压电材料相媲美,这一颠覆性发现为准同型相界分子压电材料的理论研究与应用研究提供了广阔空间。

      (衷心感谢中国科学院上海有机化学研究所吕龙老师和华东师范大学姚叶锋老师无私的帮助。)

    表.[Me3NCH2R]+(R为 H、F、Cl、Br和I)阳离子的理论结构参数。[Me3NCH2F]+(TMFM)和[Me3NCH2Cl]+(TMCM)阳离子具有类似的结构参数。

    [Me3NCH2R]+

    C-R键长(Å)

    偶极 (D)

    体积 (Å3)

    对称性

    [Me4N]+

    1.08864 (C─H)

    0

    134.18

    Td

    [Me3NCH2F]+

    1.35551 (C─F)

    3.1617

    134.70

    Cs

    [Me3NCH2Cl]+

    1.77049 (C─Cl)

    4.6531

    141.27

    Cs

    [Me3NCH2Br]+

    1.93731 (C─Br)

    6.7510

    159.70

    Cs

    [Me3NCH2I]+

    2.16621 (C─I)

    8.3246

    182.01

    Cs

    A.(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3(0 ≤ x ≤ 1)相图示意图;B. (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3(0 ≤ x< 0.25)的结构图以及TMFM与TMCM的结构示意图;C. (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3(0 ≤ x ≤ 1)不同组分下的相对压电响应;D. (TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3x = 0.25)的铁电畴和畴的极化翻转。




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