最新！南昌大學和東南大學團隊分子壓電成果發表《science》

　　北京時間3月15日，Science在線發表南昌大學國際有序物質科學研究院和東南大學江蘇省分子鐵電科學與應用重點實驗室科研人員在分子壓電領域取得的重要進展，通過固溶體準同型相界的概念，將分子晶體d33壓電系數提升至前所未有的1500pC/N，一舉超越業界廣泛應用的無機壓電陶瓷PZT。

　　據了解，這篇題為A Molecular Perovskite Solid Solution with Piezoelectricity Stronger than Lead Zirconate Titanate的論文，是中國團隊在分子鐵電壓電領域第四篇Science，是繼發現高溫分子鐵電體、優異分子壓電體、不含金屬的三維鈣鈦礦結構鐵電體之后的又一力作，也是團隊在南昌大學所取得的重要階段性成果。

　　壓電效應最早由居里兄弟在十九世紀末發現，可通過應變產生電荷，或通過電場產生形變，因而廣泛應用于傳感器、換能器、驅動器等技術領域。上世紀四十年代所發現的鈣鈦礦結構鈦酸鋇，因其優越性能，在二戰戰場得到應用，推動了壓電材料的發展。1954年，Jaffe等人發現無機陶瓷固溶體鋯鈦酸鉛 (PZT)的準同型相界 （Morphotropic Phase Boundary），其壓電系數d33（200-750 pC/N）可以達到單一組分鈦酸鉛（PbTiO3）的（47pC/N）十幾倍，是當前最重要的壓電材料，六十余年沒有改變。但PZT含鉛，而且無機陶瓷固溶體柔韌性差、密度大、需要高溫燒結，因此材料學者一直孜孜不倦地尋求PZT的替代品，特別是具有柔性、輕量、易于合成、生物兼容性好等優點的分子替代品。而發展分子固溶體，特別是尋求其可能的準同型相界，則很有可能是行之有效的一條途徑。

　　設計性能優異的分子壓電固溶體首先要在單一組分分子壓電材料有所突破。2017年，江蘇省分子鐵電科學與應用重點實驗室的研究人員設計合成了d33高達220pC/N的分子鈣鈦礦三甲基氯甲基銨三氯化鎘（TMCM-CdCl3），d33可以和鈦酸鋇（190pC/N）相媲美（Science2017, 357, 306）。以此為基礎，南昌大學國際有序物質科學研究院的研究人員根據居里對稱性原理和相似相容原理發現三甲基氟甲基銨三氯化鎘（TMFM-CdCl3）可以和TMCM-CdCl3 構筑分子鈣鈦礦固溶體(TMFM)x(TMCM)1-xCdCl3 （0≤ x ≤ 1），如上圖所示。該固溶體在0.25≤ x ≤ 0.3時存在MPB，其d33是單一組分TMCM-CdCl3（220pC/N）的五到七倍，達到創紀錄的1540pC/N！

　　這一發現可謂壓電領域顛覆性的突破，使柔性的分子壓電材料在壓電性能方面能夠和硬的無機陶瓷壓電材料相媲美，為將來準同型相界分子壓電材料的科學與應用打開了廣闊空間。同時，相似相容原理的利用為合成分子壓電固溶體提供了一條有效的途徑。