Nature新發現突破傳統維度束縛，使這種效應暴增

材料人編輯小單 1年前 (2022-08-05) 1443瀏覽

一、【導讀】

熱釋電效應是自發極化隨溫度波動的響應，廣泛用于熱成像、傳感器、納米發電機、能量收集器、制氫和核聚變等領域。然而，當自支撐熱釋電材料接近二維結晶極限時，熱釋電的行為方式在很大程度上仍然未知。

最近對三維（3D）和二維（2D）材料的理論計算表明，電子-聲子重整化對熱釋電的貢獻可能并非無足重輕。一般而言，在熱力學的限制下，2D晶體并不存在長程有序，然而，石墨烯與某些單層氧化物晶體則違背了這一定律。不過，一般而言，當材料逐漸趨向2D時，熱力學有關的長程有序（如，聲子）變得不太穩定，這必然會影響材料的性質。材料維度影響長程有序的理論出發點主要基于單元素，實際的晶體其實非常復雜，不同的化學鍵有可能會影響熱釋電材料的維度效應。

二、【成果掠影】

近日，美國倫斯勒理工學院的蔣杰、石建與石云峰等研究者展示了三種材料（范德華材料In2Se3、準范德華材料CsBiNb2O7（CBNO）和由離子/共價鍵連接的ZnO）的熱釋電效應的維度特性。通過測量周期性紅外激光脈沖激勵下不同厚度的材料的熱釋電光響應信號，他們測量并比較了具有不同厚度的微米片層的熱釋電系數。結果顯示，對于這三種材料，當材料的厚度減小時，熱釋電系數都有所增加。其中，由離子鍵/共價鍵連接的ZnO材料的熱釋電系數的變化最為明顯。采用分子動力學模擬、拉曼光譜和同步輻射XRD證明了電子-聲子重整化和熱釋電之間可能的關聯。這一發現為超薄材料熱釋電的設計和高性能的傳感和能量轉換裝置的開發提供了基礎。研究成果以題為“Giant pyroelectricity in nanomembranes”發表在綜合性期刊Nature上。

三、【核心創新點】

  • 材料越薄，熱釋電效應越明顯
  • 材料化學鍵的不同將會影響熱釋電的維度效應
  • 電子-聲子重整化和熱釋電效應有關

四、【數據概覽】

  1. 微觀機制分析

圖1. 初級熱釋電和維度效應的微觀機制示意圖：a. dT/dt=0時的晶格中離子和電子云；b. dT/dt>0時電子-聲子相互作用引起的電子態重整化；c. dT/dt>0時離子的非諧振勢能曲線；d. 根據Hohenberg-Mermin-Wagner定理，隨著晶體厚度的減少（從塊體到薄片），晶格勢能曲線和離子位移的示意圖；e. 面外鍵強度隨不同材料中鍵各向異性變化的示意圖 ? 2022 Springer Nature

  1. 納米膜制造：

圖2. 薄片/納米薄膜的制備和表征 ? 2022 Springer Nature

  1. 維度對熱釋電的影響

圖3. In2Se3、CBNO和ZnO的熱釋電效應和維度效應 ?? 2022 Springer Nature

  1. 晶格動力學

圖4. CBNO中的Debye-Waller因子 ? 2022 Springer Nature

五、【成果啟示】

對于范德華材料In2Se3、準范德華材料CsBiNb2O7（CBNO）和由離子鍵/共價鍵連接的材料ZnO，當材料的厚度減小時，熱釋電系數都有所增加。在這三種材料中，ZnO熱釋電系數變化最明顯，表現出最大的兩個數量級以上的增強。說明了沿面外方向具有化學鍵的材料表現出最大的維度效應。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04850-7

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