具有铁电性的晶体结构类型 苏大发现一种有机无机杂化铁电晶体的超大电致剪切应变和压电效应

近日，苏州大学游陆教授、许彬教授与新加坡南洋理工大学范红金以及南方科技大学王峻岭课题组展开合作，发现了一种有机无机杂化铁电晶体的超大电致剪切应变和压电效应，作为共同第一作者，在国际顶级期刊Nature Materials上发表学术论文，题目为“Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric”。

具有巨大可控应变的材料在传感器、制动器、换能器等领域有着广泛的应用前景。常见的场致应变的物理机制包括温控或磁控的形状记忆合金、电致伸缩效应（含压电效应）等。在无机晶态材料中，铁弹相变引起的微观尺度晶格的畸变是产生巨大应变的关键，例如形状记忆合金中的马氏体相变，以及铁电材料中的铁弹畴的翻转。然而在实际应用的块体多晶甚至单晶中，复杂的铁弹畴结构往往限制了可控的单一路径的铁弹转变。巨大的应变也容易在块体材料中产生不可逆的微裂纹，甚至断裂。

有机无机杂化铁电体近年来因为杂化钙钛矿的兴起，也引起了广泛关注。杂化铁电体由无机骨架和有机离子结合而成，因此具有不同于传统氧化物铁电材料的独特性质。

在这项工作中，研究团队使用了体积较大的有机分子结合CdCl3-无机骨架，由于空间限域作用，这使得铁电极化的180度翻转被完全抑制了。铁电极化只能发生单一路径的小范围转动，引起铁弹相变，同时伴随着巨大的剪切应变（图一）。在常规氧化物铁电材料中，电致应变（轴向或剪切）的最大值通常只有0.1-1%，而此次发现的杂化铁电体产生的剪切应变超过了20%。同时，从微观原子尺度晶格的畸变（亚纳米）到宏观晶体的形变（毫米）实验上观测到了完美的契合。这种现象在块体压电材料中是难以想象的，这可以归因于杂化特性使其具有较软的机械性质，而这种较弱的分子间作用力（氢键、范德华力）也使得晶体具有较好的塑性变形能力。

这项工作是相关研究团队，继范德华二维铁电晶体的负压电性后（You et al., Sci. Adv. 2019;5: eaav3780），在范德华类铁电材料中探索反常铁电压电性质的又一突破性成果。这再次证明弱化学键铁电材料蕴含着不同于常规氧化物铁电材料的物理性质，值得更加深入的发掘。同时，这项工作所展现的杂化铁电体中有机分子限域作用的机理，也为设计新型人工电致伸缩材料提供了新的思路和策略。

来源：苏州大学

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https://www.nature.com/articles/s41563-020-00875-3