光伏钙钛矿：铁电铁弹互怼，结果电致伸缩赢了

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

有机无机杂化金属卤化物钙钛矿，真的是一类神奇的材料。它一方面光电性能优异，在太阳能电池、光探测器、和发光二极管等诸多领域都大显身手，潜力非凡，甚至被预测会得诺贝尔奖。而另一方面呢，它也仿佛蒙着一层神秘的面纱，总是让人不识庐山真面目，更不知道其背后会藏有什么更多的把戏。这不，在大家还喋喋不休争论其晶体结构到底是铁电（极性）还是铁弹（非极性）的时候，黄劲松组最新一篇Nature Materials论文却告诉我们，它原来是大电致伸缩的。

电致伸缩其实并不奇怪，介电材料都有的现象，应变随电场呈平方关系。奇怪的是电致伸缩效应通常都很小，可以忽略不计，而黄劲松组发现，甲胺碘铅单晶有巨大的电致伸缩效应，在并不高的电压下，就可以有高达1%的应变，如下图所示：

由上图(a)可见，研究人员虽然采用原子力显微镜（AFM）测量电致位移，但是与通常的压电原子力显微术（PFM）不同，他们的样品表面沉积了电极，构成电容器结构。这一设计应该比较关键，因为采用PFM研究甲胺碘铅的文章非常多，并没有人观测到大的电致伸缩效应。从图（b）的数据来看，样品电致伸缩应变高达1%，电致振动与激励电场呈二倍频关系且应变为负，显示应变大小与电场呈平方关系，并被图（c）所证实。图（d）进一步表明应变大小和方向均与电场方向无关。在此前的PFM研究中，华盛顿大学黄博远等人虽然也报道了二倍频响应，并以其判断甲胺碘铅的极性，进而确定单晶甲胺碘铅极性非极性畴交替共存的现象。但一个显著差别是，黄博远等所测的是高频响应，而这篇文章所报道的是低频响应。这是另外一个比较关键的点。此外，作者们还通过面内电场（图e）测量了垂直于电场方向的位移，显示其为正应变（图f）。我们也可以通过这个位移估算其应变大小，发现其与平行方向应变的二分之一数量级大致相当，符合电致伸缩应变体积不变的预期。

为什么这么一个大的电致伸缩应变很重要呢，看一看下面这张对比表就清楚了。和当前已知的一些大电致伸缩材料比，甲胺碘铅应变不是最大的，但其所需的电场非常小，而且因为杨氏模量比较大，使得其能量密度非常高。考虑到电场强度不同的话，其比能量密度是最高的。这使得甲胺碘铅在光电之外，有了新的应用可能。

一个新的物理现象的发现，当然需要多方面实验数据验证。除微观的AFM测试外，作者们也进行了电致伸缩的宏观测量(图ab)以及XRD测试（图cd），进一步证实了甲胺碘铅大电致伸缩现象。有意思的是，除了大的二阶电致伸缩应变外，作者们也观测到一阶压电应变（图b），并估算其压电系数为3.1pm/V。宏观一阶压电响应的存在，证明这个样品确定无疑是中心对称性破缺的极性材料。至于是不是铁电，则取决于操作层面是否能让其极性反转，并非根本问题。此外，我们也根据XRD峰位漂移估算了其电致伸缩应变大小，和此前的微观测试也数量级相当。

物理现象确认后，剩下的问题当然是可能的微观机理。研究人员首先排除了麦克斯韦力和本征电致伸缩等因素。他们发现电致伸缩响应的时间尺度在毫秒量级，如下图所示。而如果电场激励频率提高到千赫兹水平，则无法实现大的电致伸缩应变，显示这一现象可能与离子运动有关。结合第一性原理计算，他们推测，甲胺碘铅大的电致伸缩应变，来自电场诱导的间隙原子-空位缺陷对。

这个工作非常漂亮，也很有启迪。当大家还在纠结到底是铁电还是铁弹的时候，作者们另辟蹊径，发现甲胺碘铅原来具有大的电致伸缩效应。与此前方法不同的是，他们采取了电容器结构，并在低频下测试。研究就是如此，变换一点花样，常会有意外惊喜。

另请关注今日二条，AFM2 2018研讨会第二轮通知。

扩展阅读

 

本文系网易新闻·网易号“各有态度”特色内容

媒体转载联系授权请看下方