Science: 含氟聚合物鐵電體：用于極性結構能量轉換的多功能平臺

圖圖

一、【導讀】

鐵電材料是目前應用最廣泛的材料系統之一，并且不斷以更高的效率產生改進的功能。聚偏二氟乙烯（PVDF）基聚合物鐵電體的進步為需要便攜、輕便、耐磨和耐用功能的應用提供了彎曲、高效耦合和多功能的材料平臺。

二、【成果掠影】

近日，上海交通大學 錢小石Xiaoshi Qian，美國 賓夕法尼亞州立大學（The Pennsylvania State University）Xin Chen，Q. M. Zhang，凱斯西儲大學（Case Western Reserve University）Lei Zhu， 在Science上發表綜述文章，論述了含氟聚合物鐵電材料的最新進展、其能量交叉耦合效應以及新興技術，包括可穿戴、高效機電致動器和傳感器、電熱制冷和介電器件。相關研究成果以“Fluoropolymer ferroelectrics: Multifunctional platform for polar-structured energy conversion”為題在Science上發表。

三、【數據概覽】

圖1 聚合物鐵電體的潛在機制。（A） 普通鐵電聚合物的典型P-E環。（B） 壓電原理圖。（C） 弛豫鐵電聚合物的典型P-E環。（D） 電熱耦合示意圖。（E） b相PVDF的偽六方晶體結構和正交晶胞（紅線）中的偶極旋轉示意圖。（F） 基本構象，不同的鏈間和鏈內組合在PVDF聚合物中形成不同的相。t、 反式；g/g′，高切。（G） 從3/1螺旋到tttt的構象變化中的幾何結構變化示意圖。（H） 鐵電P（VDF-TrFE）聚合物中自組織的環面拓撲結構。（I） P（VDF-TrFE）共聚物的MPB處的增強壓電效應。（J和K）在C=C調制的四聚合物中的ECE（J）和EM耦合效率（K）的巨大增強。? 2023 AAAS

圖2 使用PVDF基聚合物的EM應用進展。（A） 基于PVDF的可穿戴能量采集器的光學圖像。（B） PVDF/BTO復合纖維與聲學織物集成的示意圖。（C） 基于壓電聚合物的可重復使用口罩原型示意圖。（D） 高通公司手指掃描儀設想的手指圖案示意圖。（E） （上圖）光學照片顯示了一個昆蟲規模的機器人。嵌入式掃描電子顯微鏡圖像顯示了具有不同材料層的原型機器人的橫截面圖。（底部）顯示蟑螂質心運動的波狀運動路徑的比較。（F） 基于PVDF松弛劑的局部觸覺反饋裝置示意圖。RFP，弛豫鐵電聚合物。? 2023 AAAS

圖3? 使用PVDF基聚合物的EC冷卻技術的進展。使用鐵電聚合物作為固態制冷劑的EC冰箱的原型。（A） 使用電子束輻照的共聚物并在AER循環下操作的全固體EC冷卻裝置。（B） 在AER循環下運行的ML旋轉EC冷卻裝置示意圖。（C和D）使用流體（空氣）作為再生器的EC冰箱的示意圖（C）；實現了14K的最大溫度跨度（D）。（E和F）由弛豫鐵電聚合物制成的冷卻管（E），為通過它的流體提供加熱和冷卻（F）。（G和H）串聯EC原型，使用靜電振蕩（G）來操作制冷循環并將快速冷卻引入鋰電池（H）。? 2023 AAAS

圖4 PVDF基聚合物的高級介電應用。（A） 具有P（VDF TrFE）作為柵極電介質的高彎曲FeFET存儲器的示意圖。（B） 基于P（VDF-TrFE）的光纖有機存儲器（FOM）示意圖。插圖展示了一種集成了FOM的織物。（C） 鐵電層P（VDF-TrFE）在FeFET器件中的3D堆疊示意圖。（D） PVDF薄膜連續折疊后的放電能量密度。插圖顯示該膜是通過軋制和壓制制備的。（E） PC/PVDF ML膜的原子力顯微鏡圖像，32層，每層厚度為400nm。? 2023 AAAS

五、【成果啟示】

對于鐵電聚合物，盡管聚合物鏈中的偶極子是極化的關鍵，但稀釋的納米復合材料現象表明，對于相同的聚合物偶極子，微量的納米填料可以引起局部和納米級聚合物鏈形態的變化，從而導致介電常數（以及因此的極化）和擊穿強度的顯著增強。在功能材料中，使用微量的摻雜劑和缺陷來定制、建立和增強所需的功能性能是眾所周知的，并且被廣泛使用。基于PVDF的聚合物鐵電體和稀釋納米復合材料的進展也證明了小缺陷在選擇性地調整和影響這些極化過程方面的有效性，從而在所需的交叉耦合效應（如EM耦合、ECE和介電性能）中產生高能量轉換效率。利用PVDF基聚合物豐富的極化過程及其潛在的分子結構、納米結構和介觀結構的活性聚合物研究有可能發現和開發下一代聚合物鐵電體，這些鐵電體是用戶友好的，可以在更高的溫度下操作，并且產生與基于PVDF的聚合物甚至無機鐵電體的電活性耦合相媲美的高電活性耦合。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902

本文由圖圖供稿