近日，南方科技大学物理系讲席教授王峻岭和南洋理工大学教授范红金团队合作在压电材料领域取得重要进展，首次合成新型有机-无机杂化铁电材料，实现了高达21.5%的剪切应变，超过行业标准的PZT压电陶瓷两个数量级。相关研究成果以“Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric”为题在Nature Materials上发表。

压电晶体被广泛地应用于制作换能器、传感器、滤波器等一系列的器件，在国民经济各个领域都起着重要的作用。人们在提高压电晶体应变量方面付出了许多努力。其中，铁电或压电材料、形状记忆合金的铁弹性过渡态具有可逆的大应变。然而，使用传统的铁电材料来打开大应变铁弹性开关非常具有挑战性。鉴于材料的压电响应是极化与刚度的比值，可以预测具有高剩余极化率和低刚度的材料将产生较大的压电响应。但是在现实中，人们常常发现柔性大的有机材料的极化率较低，而刚性无机材料的极化率高，这一现象引起了研究人员对有机-无机杂化压电材料的关注。

图1 (PTMA)CdBr_3xCl_{3(1– x)}材料的铁电、铁弹性质和(PTMA)CdCl₃的铁弹形变与其它材料体系的对比。

研究团队将柔性大的有机分子和刚性大的无机材料骨架相结合制备了（PTMA）CdBr_3xCl_{3(1– x)}铁电材料，并用溴掺杂的方法，系统性地调节其机电性能。由于材料结构的限制，（PTMA）CdBr_3xCl_{3(1– x)}中180°铁电极化翻转极为困难，从而使可控的、具有超大切应变的铁弹翻转成为可能。同时，研究表明，Br取代可以有效软化化学键，降低极化翻转势垒，进而增强材料的剪切压电系数。基于密度泛函理论的计算也证实了这一点，在两个铁弹性态之间切换的最小能量路径映射显示，在富含Br的样品中存在较浅的双阱态势（double-well landscape）。

图2 (PTMA)CdCl₃的晶体结构和电场控制的铁弹翻转示意图与宏观表现

王峻岭及其团队的这项研究为压电材料的研究开启了一个新的方向，首次提出的结构约束效应使得精确控制铁弹翻转从而获得超大应变成为可能。化学键软化（bond softening）的原理也可以指导我们筛选更多的优异性能的有机-无机杂化铁电/压电材料。

王峻岭为论文共同通讯作者，南科大是共同通讯作者单位。本课题的开展得到了国家自然科学基金委、新加坡教育部、南方科技大学等机构的支持。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41563-020-00875-3#author-information

供稿：物理系

通讯员：廖薮祺

编辑：苗雪宁

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