近日，东南大学化学化工学院国际分子铁电科学与应用研究院暨江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室的博士生陈晓刚在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society《美国化学会志》上发表题为“Two-dimensional layered perovskite ferroelectric with giant piezoelectric voltage coefficient”的学术论文。
该研究成果首次报道了具有超大压电电压系数的二维层状钙钛矿铁电体，代表着分子铁电体在压电领域的又一重要阶段性进展。能够适应各种环境条件的高性能智能传感器是信息科技领域的核心研究之一。其中，压电传感器因不需外接动力源且具有响应时间快、工作温度范围宽、高稳定性、再生性以及对电、磁场不敏感等突出优势，受到了广泛关注。从实用角度出发，压电传感器的关键性能参数包括作为其材料品质因数的压电电压系数g33和决定使用温度范围的居里温度Tc。自1880年压电性被发现以来，具有较高压电应变系数d33的传统无机钙钛矿铁电陶瓷如钛酸钡（BaTiO3，BTO）、锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O3，PZT）等一直占据着研究和应用的主流，但其g33通常仅局限在40×10-3Vm N-1以下。这是源于要使材料获得较大的g33值，除了高d33以外，还要兼具相对低的介电常数ɛr(g33 = d33/ɛr)。目前已发现铁电聚合物PVDF（聚偏二氟乙烯）的g33能达到286.7×10-3Vm N-1，然而低熔点、低结晶度和高矫顽场却阻碍了其应用的拓展。
作为无机铁电体和铁电聚合物的有益补充，分子铁电体在具备轻量、柔性、易制备、环保等优点的同时，突出的结构可调控性也为通过分子修饰和分子自组装等策略获取、调制各种性质提供了理想的材料设计平台。经过多年发展，在大自发极化、高Tc、高d33等性能方面，分子铁电体均已追赶上甚至超越了无机铁电体。但具有较大g33的分子铁电体研究此前仍是一片空白。基于此，在东南大学研究团队的努力下，成功设计合成了二维有机-无机杂化钙钛矿铁电体：[4-氨基四氢吡喃]2PbBr4，其g33高达660.3×10-3Vm N-1，是PVDF的两倍有余，更远远超越了PZT。此外，达到503 K的Tc值（远超BTO的393 K）进一步为其能适应更宽的应用范围提供了保障。该工作展现了分子铁电体在新一代智能压电传感器领域的巨大应用潜力。
本文第一作者为东南大学化学化工学院博士生陈晓刚，东南大学为第一通讯单位。该研究成果得到“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助。
论文链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12368。
供稿：化学化工学院