Science：压电性能强于锆钛酸铅的分子铁电固溶体

压电材料能够直接实现机械能与电能的相互转换，广泛应用于传感器、换能器、驱动器等领域。1954年，Jaffe等首次发现无机陶瓷固溶体锆钛酸铅（PbZrO₃-PbTiO₃，PZT）的物理性质特别是压电性质在准同型相界（MPB）处达到峰值。PZT压电系数d₃₃（200–750pC/N）可以达到单一组分钛酸铅（PbTiO₃）的十几倍。目前，占应用主流的压电材料是具有MPB的PZT等无机陶瓷固溶体，存在柔韧性差、重金属密度大、需要高温烧结制备等缺点；分子材料具有柔性、轻量、易于合成、生物兼容性好等特点，在过去六十余年里，人们一直在探索PZT的分子替代品或补充品。

设计分子压电固溶体首先要在单一组分分子压电材料上有所突破。2017年，东南大学科研团队设计合成了d₃₃高达220 pC/N的分子钙钛矿三氯合镉酸三甲基氯甲基铵（TMCM-CdCl₃），d₃₃可以和单一组分无机铁电体PbTiO₃（190 pC/N）相媲美（Science 2017, 357, 306）。寻找类似于PZT中PbZrO₃的分子钙钛矿则面临巨大的挑战，国际有序物质科学研究院科研人员根据相似相容原理，发现三氯合镉酸三甲基氟甲基铵（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）（附图A和B）。在0.25 ≤ x ≤ 0.3时存在MPB（附图A），d₃₃是单一组分TMCM-CdCl₃（220 pC/N）的五到七倍（附图C和D），超越了PZT。本工作表明：在压电性能方面，柔性分子压电材料可以与传统硬的无机陶瓷压电材料相媲美，这一颠覆性发现为准同型相界分子压电材料的理论研究与应用研究提供了广阔空间。相关研究结果以“A Molecular Perovskite Solid Solution with Piezoelectricity Stronger than Lead Zirconatetitanate (压电性强于锆钛酸铅的分子钙钛矿固溶体)”为题于2019年3月15日在线发表于Science (《科学》)杂志。

A.(TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃（0 ≤ x ≤ 1）相图示意图；B.(TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃（0 ≤ x ≤ 0.25）的结构图以及TMFM与TMCM的结构示意图；C. (TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃（0 ≤ x ≤ 1）不同组分下的相对压电响应；D. (TMFM)_x(TMCM)_1-xCdCl₃（x = 0.25）的铁电畴和畴的极化翻转。

文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.aav3057