今日Science: 南大东大登顶分子压电, 中国固溶超越经典PZT

Original 知社知社学术圈 2021-06-12

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美东时间3月14日，北京时间3月15日，Science在线发表南昌大学国际有序物质科学研究院和东南大学江苏省分子铁电科学与应用重点实验室科研人员在分子压电领域取得的重要进展，通过固溶体准同型相界的概念，将分子晶体d33压电系数提升至前所未有的1500pC/N，一举超越业界广泛应用的无机压电陶瓷PZT。

据了解，这篇题为A Molecular Perovskite Solid Solution with Piezoelectricity Stronger than Lead Zirconate Titanate的论文，是中国团队在分子铁电压电领域第四篇Science，是继发现高温分子铁电体、优异分子压电体、不含金属的三维钙钛矿结构铁电体之后的又一力作，也是团队在南昌大学所取得的重要阶段性成果。

压电效应最早由居里兄弟在十九世纪末发现，可通过应变产生电荷，或通过电场产生形变，因而广泛应用于传感器、换能器、驱动器等技术领域。上世纪四十年代所发现的钙钛矿结构钛酸钡，因其优越性能，在二战战场得到应用，推动了压电材料的发展。1954年，Jaffe等人发现无机陶瓷固溶体锆钛酸铅 (PZT)的准同型相界（Morphotropic Phase Boundary），其压电系数d33（200-750 pC/N）可以达到单一组分钛酸铅（PbTiO3）的（47pC/N）十几倍，是当前最重要的压电材料，六十余年没有改变。但PZT含铅，而且无机陶瓷固溶体柔韧性差、密度大、需要高温烧结，因此材料学者一直孜孜不倦地寻求PZT的替代品，特别是具有柔性、轻量、易于合成、生物兼容性好等优点的分子替代品。而发展分子固溶体，特别是寻求其可能的准同型相界，则很有可能是行之有效的一条途径。

设计性能优异的分子压电固溶体首先要在单一组分分子压电材料有所突破。2017年，江苏省分子铁电科学与应用重点实验室的研究人员设计合成了d33高达220pC/N的分子钙钛矿三甲基氯甲基铵三氯化镉（TMCM-CdCl3），d33可以和钛酸钡（190pC/N）相媲美（Science2017, 357, 306）。以此为基础，南昌大学国际有序物质科学研究院的研究人员根据居里对称性原理和相似相容原理发现三甲基氟甲基铵三氯化镉（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），如上图所示。该固溶体在0.25≤ x ≤ 0.3时存在MPB，其d33是单一组分TMCM-CdCl3（220pC/N）的五到七倍，达到创纪录的1540pC/N！