新机制：在氢键铁电体中，获得超高压电系数 | NSR

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压电材料可实现电能与机械能的相互转换，在传感器、驱动器、能量回收等领域具有非常广泛的应用前景。目前，高性能压电材料主要有锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷、铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电单晶等，但这些材料都含有重金属铅元素。因此，研发性能优异、环境友好的压电材料是压电领域的关键科学问题之一。

研究者提出了一种在氢键铁电体中获得超高压电系数的新思路。此类压电材料还兼具环保（不含铅）、柔性等优点，有望在力电、热电转化领域开拓新机遇。

最近，华中科技大学研究团队(博士生任洋洋和吴梦昊教授)和南京大学刘俊明教授在《国家科学评论》(National Science Review，NSR) 发表研究论文，提出了一个获得高压电系数的思路。这一思路极为简单：根据朗道连续相变模型，如果微小应变能显著改变铁电居里温度，那么在理论上，压电系数在居里温度附近可能趋于无限大。

按照上述思路，要在室温下获得这种高压电系数，需要满足两个条件：(1)居里温度应该在室温附近；(2) 居里温度应该对应变敏感。

传统压电材料（如BaTiO₃和若干功能氧化物体系）的居里温度都远远高于室温，室温下施加应变后的极化改变量ΔP不够大，不满足上述条件(下图a）。

而许多氢键铁电体的居里温度在200-400K，有望满足这两个条件，从而成为理想候选者。例如，有机铁电体PHMDA和[H-55DMBP][Hia]的居里温度分别为363K和268K。更进一步，氢键的力学特性使得材料在外力作用下很容易压缩或拉伸，而且质子跃迁势垒以及居里温度都会随应变而显著改变。这一特性给调控带来极大便利(下图1b）。

传统钙钛矿铁电体（a）和氢键铁电体（b）在应变作用下的极化随温度变化。

结合第一性原理与蒙特卡洛模拟，论文作者揭示：2 % 的拉伸应变便足以将某些氢键铁电体的质子转移势垒及居里温度提升2倍。此时，我们可以在一个方向上施加特定的应变使得居里温度精确调节到室温，则在另一个方向上只需施加一微小应变，便可得到很大的铁电极化变化和超高压电性（模型如下图a）。

（a）固定y方向应变，调节z方向，获得高压电系数。（b）以PHMDA为例，蒙特卡洛模拟不同应变下极化（P_s）随温度（T）的变化。

比如在PHMDA中，可沿-y方向施加一个2%的压缩应变，将居里温度从363K调节到315K并固定下来。此时，如果在-z方向压缩0.1%，则理论上可获得的平均压电系数将达到2058 pC/N (如上图b)。如果-z方向施加的是更轻微的压缩应变，这个压电系数值还将进一步增大。

之前有实验报导，SbSI在接近居里温度时压电系数极大提升，该现象也可以通过文章中提出的这一新机制来解释。

理论上，该文提出的巨压电新机制可用于大多数氢键铁电材料。而具有氢键的有机或无机铁电材料种类繁多，为证实并应用这一机制提供了广阔的空间。这一机制可能成为发展高性能压电材料的一条潜在途径。

点击“阅读原文”查看论文原文。

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