近日，国际有序物质科学研究院在分子铁电体大晶体生长和机电耦合系数表征方面的研究取得了突破性进展，相关成果以“Inch-Size Molecular Ferroelectric Crystal with a Large Electromechanical Coupling Factor on Par with Barium Titanate”为题发表于J. Am. Chem. Soc.。
早在2017年，东南大学分子铁电研究团队游雨蒙教授等就发现了一例高压电性分子铁电体三氯合镉酸三甲基氯甲基胺（TMCM-CdCl3），其压电系数d33达到了220 pC/N，与无机陶瓷钛酸钡（BTO）相当，这一成果同年发表于顶级期刊Science上。然而，当时由于晶体尺寸较小，该材料的机电耦合系数k33一直难以准确表征。机电耦合系数反映了机械能与电能相互转换的效率，对压电材料的实际应用至关重要。例如，医用超声成像探头要求压电材料同时具有高的d33和k33以获得宽广的探测范围和高的图像分辨率。已报导的分子铁电体的k33一直远低于无机陶瓷BTO（0.5）和锆钛酸铅（0.54~0.75），大大限制了它们的应用。为精确测定分子铁电体的机电耦合系数，需要对单晶进行定向切割出特定的形状，因此首先要获得大尺寸的分子铁电单晶。于是，国际有序物质科学研究院研究团队与江西海源复合材料科技股份有限公司开展合作，设计开发仪器设备来生长大块分子铁电晶体。通过反复试验和改进，最终摸清了通过溶液降温法生长TMCM-CdCl3大单晶的条件参数。经过几年的不懈努力，团队已经能够生长出英寸级大小的TMCM-CdCl3分子铁电单晶，三维尺寸达到36 × 30 × 19 mm3，如图1所示。
图1. (a)大块TMCM-CdCl3分子铁电单晶；(b)不同规格的晶柱和晶片
在成功制备大尺寸单晶的基础上，还需要结合分子铁电体的对称性和压电系数矩阵，获得特定方向和尺寸的晶体切片，才能对它的机电耦合系数进行准确表征。国际有序物质科学研究院科研人员吕慧鹏经过近一年的摸索，对TMCM-CdCl3晶体进行定向和切割，得到符合测试标准的晶柱和晶片（图1b），并利用动态谐振法测定了它们的机电耦合系数。图2a展示了TMCM-CdCl3晶柱明显的谐振行为，经过测算其k33达到了0.483，远大于经典的分子压电体硫酸三甘氨酸（TGS, k33~0.11）和压电聚合物聚偏氟乙烯（PVDF, k33~0.2），甚至接近于无机压电陶瓷BTO（k33~0.5, 图2b）。并且，高质量的大块单晶使得压电系数d33进一步提高到383 pC/N，超越了此前报道的数值。此外，TMCM-CdCl3在其他振动模式下同样具有高的机电耦合系数k31和k15 (0.624和0.423)，压电系数d31和d15（176和667 pC/N）也超越以往。TMCM-CdCl3还表现出柔性特征，其弹性模量和硬度（13.03和0.60 GPa）接近于BTO的十分之一。
图2. (a)TMCM-CdCl3晶柱的谐振行为; (b) TMCM-CdCl3与其他压电材料机电耦合系数k33的对比
这一工作展现出分子铁电体TMCM-CdCl3高的机电耦合系数，这赋予其在柔性、便携和可穿戴压电器件巨大的应用前景。同时，本工作对进一步探索高机电耦合系数分子铁电材料具有积极的推动作用。
