华南理工大学何和智教授和凯斯西储大学祝磊教授《Matter》: 弛豫次级晶体的电致伸缩效应增强铁电聚合物的压电性能

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电致伸缩效应是铁电聚合物压电效应的起源，即铁电聚合物的压电效应是剩余极化偏置情况下的电致伸缩效应。但是一直以来人们却不知道如何去利用电致伸缩效应来提高铁电聚合物的压电性能。而这其中的关键原因在于人们对聚合物压电效应的结构起源仍然存在着争议，争议的关键点在是半结晶聚合物中的哪个组分贡献了其压电性质？只有对聚合物压电效应的结构起源有深入的理解，才能知道如何利用电致伸缩效应来进一步提高铁电聚合物的压电性能。

这项工作研究了一系列VDF含量为50至65 mol.%的P(VDF-TrFE)无规共聚物。所有的样品都经过了淬火 (Q)、拉伸 (S)、130 °C 退火 (A) 和100 MV/m 的单向极化 (P) 的加工工艺。压电性能研究显示，室温下，在P(VDF-TrFE) 52/48QSAP样品中实现了最佳的压电性能（d₃₁= 57.6±2.4 pm/V），并且随着VDF含量的增加，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP和P(VDF-TrFE) 65/35QSAP样品的压电系数d₃₁分别下降到30.1±1.7 pm/V和9.0±3.3 pm/V。同步辐射X-光衍射研究结果表明：一种位于取向非晶相内的弛豫次级晶体（如图1a的微观结构示意图所示）是P(VDF-TrFE) 52/48QSAP样品高压电性能的原因。位于取向非晶相内的弛豫次级晶体提高了样品的介电常数，使剩余极化偏置的电致伸缩效应（压电效应）得到显著增强。

图1. (a) P(VDF-TrFE) 52/48QSAP样品的微观结构示意图；(b) P(VDF-TrFE) 55/45QSAP样品的压电系数随温度的变化。图片根据原文重新组合。

在这个基础上，他们进一步研究了P(VDF-TrFE) 55/45QSAP样品压电性能随温度的变化，如图1b所示。在55°C时，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP样品的压电系数d₃₁高达77±5 pm/V，是室温时的两倍多。而此时的剩余极化强度只有室温时的1/3，这说明了对压电性能来说，偶极的运动能力比剩余极化更重要。

这一成果近期发表在Matter上 (Matter. 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.09.008)。论文的第一作者为华南理工大学博士生朱治文，共同第一作者为美国凯斯西储大学博士生芮冠淳，通讯作者为华南理工大学何和智教授，凯斯西储大学祝磊教授和Philip L. Taylor教授。

论文链接：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00453-7

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