image: （a）传统钙钛矿铁电体和（b）氢键铁电体在应变作用下的极化随温度变化示意图。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
铁电体具有可翻转的自发极化，而极化大小与晶格离子位移有内在联系。因此，很多铁电体同时也是优良的压电体，可通过机械应力来调节极化或施加电场实现形变。压电效应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)压电陶瓷和铌镁酸铅-钛酸铅弛豫铁电单晶等，但缺憾之一是这些材料含有重金属铅元素。研发性能优异的环境友好压电材料就变得有实际意义，也是压电领域的关键科学问题之一。
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，提出一个获得高压电系数的新思路。这一思路极为简单：根据朗道连续相变模型，如果微小应变能改变铁电居里温度，理论上压电系数在居里温度附近应趋于无限大。但室温下要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。传统压电材料诸如BaTiO3和若干功能氧化物体系，其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(下图a）。而居里温度在200-400K的氢键铁电体，有望满足这两个条件，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363和268K。更进一步，由于氢键的力学特性，不但很容易压缩或拉伸，而且质子跃迁势垒以及居里温度都会随应变而显著改变，给调控带来极大便利(下图1b）。
文中通过第一性原理结合蒙特卡罗模拟的方法，揭示出2 % 的拉伸应变便足够将某些氢键铁电体的质子转移势垒及居里温度提升2倍。它们的居里温度可以通过在一个方向上施加一个固定的应变来精确地调节到室温，这时在另一个方向上，即使施加一个微小的应变在临界点附近都能可观地改变极化值，使得系统表现出超高的压电性。 比如PHMDA中可沿着-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，此时-z方向如果压缩0.1%，这个过程平均压电系数将达到2058 pC/N，是目前所知压电材料的最高值。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。
该研究提出的巨压电新机制预期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，相信这一机制有可能是发展高性能压电材料的一条潜在途径。这个模型也可以用来解释之前实验报导SbSI在接近居里温度时压电系数极大提升的现象。
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文章信息： Ultra-high piezoelectric coefficients and strain-sensitive curie temperature in hydrogen-bonded systems https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa203
Journal
National Science Review