東南大學熊仁根課題組Matter：基于精確分子設計的基于多軸鐵電體的壓電能量收集

【引言】

能量的收集和轉化是與人類的生活和日常生產有關的重要問題。鐵電體作為具有反向極化的壓電材料，可以用作允許在電應力和機械應力之間轉換的超微換能器。鐵電體的自發極化和壓電效應促進了發光二極管，太陽能電池，納米機器人和自供電系統領域中許多光電器件的發展。此外，鐵電體的自發極化可以響應于外部電場而切換，使其對鐵電體存儲器，溫度傳感，能量收集和光電設備的廣泛應用具有吸引力。具有更多等效極化方向的多軸鐵電體是此類應用的高度首選，因為更多等效鐵電軸允許隨機自發極化矢量沿著電場定向，以實現多個方向之間的可逆切換，并且壓電效應也可以在多個方向發生。產生最佳性能。大多數陶瓷鐵電體具有不超過三個等效鐵電軸。考慮到作為多晶鐵電材料或薄膜的應用，基于分子的多軸鐵電材料因其機械靈活性，結構可調諧性，環境友好的合成，易于加工成薄膜而備受期待，并且具有作為下一代柔性設備的巨大潛力。在過去的十年中，隨著大量優秀的鐵電材料的出現，分子鐵電材料的研究得到了極大的發展，特別是那些具有多極軸和發光，高自發極化和大壓電的鐵電材料。

【成果簡介】

鐵電體，作為具有反向極化的壓電材料，在能量信號采集和轉換中具有巨大的吸引力。它們的極化和壓電特性廣泛用于各種智能設備，例如數據存儲，傳感器，太陽能電池和自供電系統。在這些應用中，具有多個等效極化方向的多軸分子鐵電體是高度優選的。然而，設計和調節多軸分子鐵電體一直是一個巨大的挑戰，特別是在壓電性能優異的情況下。東南大學的熊仁根教授團隊通過精確的分子修飾，成功設計并調節了四種高溫多軸分子鐵電體[(CH₃)₃NCH₂X]FeBr₄（X = F，Cl，Br，I）。更為顯著的是，壓電響應力顯微鏡顯示它表現出與聚偏二氟乙烯相當的較大壓電響應。這種精確的分子設計策略為獲取和調節多軸分子鐵電體提供了有效的手段，為現代能源和人工智能提供了新的機會。該成果以題為“Piezoelectric Energy Harvesting Based on Multiaxial Ferroelectrics by Precise Molecular Design”發表在國際著名期刊Matter上。

【圖文導讀】

圖1.相變屬性

圖2.低溫相的晶體結構

圖3.中溫相的晶體結構

圖4.鐵電特性的表征

（A）(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄和(TMIM)FeBr₄的溫度依賴性SHG強度

（B）使用雙波法在323 K下測量的(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄和(TMIM)FeBr₄的P-E磁滯回線

（C）(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄和(TMIM)FeBr₄的復介電常數的實部與偏置電場的關系

圖5.(TMFM)FeBr4薄膜的生長區結構

（A）拓撲圖

（B-E）同一區域中的垂直PFM振幅（B）和相位（C）圖像以及側面PFM振幅（D）和相位（E）圖像

圖6.薄膜的偏振反轉測量

(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄和(TMIM)FeBr₄薄膜的局部振幅（A）和相位（B）磁滯回線

圖7.壓電特性的表征

（A,B）(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄，(TMIM)FeBr₄，(TM)FeCl₄和PVDF的PFM共振峰（A）和有效壓電系數（B）的比較

（C）基于(TMFM)FeBr₄膜的壓電能量收集器的示意圖

（D）(TMFM)FeBr₄多晶樣品在一定沖擊下產生的輸出電壓

【總結】

通過精確的分子修飾或剪裁，作者成功設計和調節了四種高溫多軸分子鐵電體(TMFM)FeBr₄，(TMCM)FeBr₄，(TMBM)FeBr₄和(TMIM)FeBr₄。通過化學方法，用F到I的鹵素原子取代H原子，原來的中心對稱[(CH₃)₄N]⁺陽離子變成準球形TMFM，TMCM，TMBM和TMIM陽離子，使這四種化合物在極性下結晶空間群并經歷鐵電相變。此外，所有這些多軸鐵電體均表現出良好的壓電性能，由此(TMFM)FeBr₄表現出與PVDF相當的較大壓電響應。這種精確的分子設計策略為多軸分子鐵電體的設計和調節提供了可行的方向，這對進一步探索結構與鐵電之間的關系具有重要意義，為現代能源和人工智能領域的發展提供了新的機會。

文獻鏈接：Piezoelectric Energy Harvesting Based on Multiaxial Ferroelectrics by Precise Molecular Design. Matter, 2020, DOI: 10.1016/j.matt.2019.12.008.

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