日前，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院與東南大學(xué)教授熊仁根、游雨蒙團隊及美國托萊多大學(xué)、南京大學(xué)、北京大學(xué)等單位聯(lián)合，在有機無機鈣鈦礦分子壓電材料取得突破。相關(guān)研究工作已于7月21日在《科學(xué)》（Science）發(fā)表。東南大學(xué)為第一通訊單位，美國托萊多大學(xué)、深圳先進(jìn)院納米調(diào)控與生物力學(xué)研究室為共同通訊單位，東南大學(xué)教授游雨蒙、博士廖偉強等為共同第一作者，熊仁根為第一通訊作者。 

　　近一個世紀(jì)以來，鐵電材料除了在信息存儲等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用之外，其優(yōu)良的壓電性能也廣受關(guān)注。隨著鐵電體研究的發(fā)展，由無機陶瓷所組成的鐵電體占據(jù)了研究的主流。作為無機陶瓷鐵電體的代表，鈦酸鋇（BTO）具有高自發(fā)極化（26 μC/cm2）、高居里溫度（393K）和較大壓電系數(shù)（190pC/N），并被廣泛應(yīng)用于水聲系統(tǒng)、超聲波換能器、聲表面波電子器件、高應(yīng)變執(zhí)行器、高貯能密度系統(tǒng)、微電子機械加工等領(lǐng)域，成為深入到現(xiàn)代社會各個層面的重要功能材料。盡管如此，無機陶瓷鐵電體成膜成本高、制備需高溫?zé)Y(jié)、含有潛在毒性元素等缺點也逐漸暴露出來。與之相比，分子鐵電體兼具輕量、柔性、結(jié)構(gòu)靈活、易成膜、全液相合成、環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，更能適應(yīng)新一代薄膜器件、微電子機械系統(tǒng)、可穿戴設(shè)備的發(fā)展需求。 

　　為了推動分子鐵電材料的實用化進(jìn)程，來自國內(nèi)外的許多科學(xué)家都致力于獲取性能優(yōu)良的新型分子鐵電體。結(jié)合多年來在優(yōu)化鐵電性能方面的經(jīng)驗和對分子材料體系壓電性能的探索，江蘇省“分子鐵電科學(xué)與應(yīng)用”重點實驗室團隊、美國托萊多大學(xué)、深圳先進(jìn)院、北京大學(xué)、南京大學(xué)的科研人員開展通力合作，終于得到了兩例具有高居里溫度（>400 K）的有機-無機鈣鈦礦型多極軸分子鐵電體：三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽(TMCM-MnCl3)和三甲基氯甲基銨鎘酸鹽(TMCM-CdCl3)。由于它們特殊的全鐵電-半鐵彈特性，使其在應(yīng)力下可以發(fā)生特殊的極化旋轉(zhuǎn)，從而獲得了高達(dá)185 pC/N和220 pC/N的壓電系數(shù)（d33）。這兩例分子的d33不僅超過以往所有分子材料，還接近甚至超越了BTO。除了體相塊材的鐵電、壓電特性，團隊還利用壓電力顯微鏡在微米尺度上對材料的六個極軸方向進(jìn)行標(biāo)定，同時，通過簡單的溶液法制備出厚度為微米級的薄膜樣品，并成功觀測到鐵電翻轉(zhuǎn)和壓電效應(yīng)。這一原創(chuàng)性的研究成果打破了傳統(tǒng)的無機金屬氧化物在壓電領(lǐng)域的壟斷地位，為分子材料在機-電轉(zhuǎn)換、超聲換能、聲探測、聲檢測等方向的應(yīng)用拓展開啟嶄新的道路。 

　　該研究得到國家科技部973項目、國家重點研發(fā)計劃納米科技重點專項和自然科學(xué)基金委重大研究計劃、重大儀器研制計劃等項目支持。

圖1  三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽的鐵電、介電和壓電性能

圖2  三甲基氯甲基銨氯酸錳（II）鹽的鐵電疇結(jié)構(gòu)、壓電響應(yīng)和多極軸特性