在国家自然科学基金，江西省青年科学基金，无序物质科学研究中心启动基金，江西省双千计划和江西理工大学双一流学科建设经费的支持下，我校无序物质科学研究中心张毅和叶恒云教授团队在稀土新材料研究领域取得又一重大突破，最新成果在《Journal of the American Chemical Society》（《美国化学会志》）以“Large Piezoelectric Response in Hybrid Rare-Earth Double Perovskite Relaxor Ferroelectrics”（杂化稀土复钙钛矿弛豫型铁电体中的大压电响应）为题在线发表。
压电材料可以将机械能转化为电能，反之亦然。这一功能使它们适用于广泛的设备应用，如驱动器、换能器和传感器等。近年来，越来越多的新兴领域对压电材料提出了新的要求，如重量轻、声阻抗低、柔韧性好、生物相容性好等。有机-无机钙钛矿杂化铁电体因其结合了无机和有机材料的优良特性而成为很有前途的补充材料。有鉴于此，我校无序物质科学研究中心的科研人员，成功设计并合成了杂化稀土复钙钛矿弛豫型铁电体(RM3HQ)2RbLa(NO3)6和(RM3HQ)2NH4La(NO3)6中的大压电响应。它们的压电响应值分别可达到106 pC N-1和81 pC N-1。
图1.(a) (RM3HQ)2RbLa(NO3)6复钙钛矿结构，(b)晶体形貌图及其(c)压电响应常数。
本研究中，通过在稀土和碱金属硝酸盐构建的三维无机骨架中引入准球形手性有机阳离子，设计合成了杂化稀土复钙钛矿弛豫型铁电体(RM3HQ)2RbLa(NO3)6和(RM3HQ)2NH4La(NO3)6。通过系统的研究发现，这两个化合物是同时具有R3铁电相和P213顺电相，呈现出多极轴铁电和铁弹性。通过变温压电响应力显微镜(PFM)成像，发现铁电极性微畴区和顺电非极性区在宽温度范围内共存。正是由于此两相的共存，使得不同极化方向的极性微畴相互转变具有较低的能垒，在施加应力时，极性微畴区的极化旋转变得容易。铁电和铁弹性的耦合促使该体系化合物在外界施加应力时易于实现极化旋转，从而表现出大的压电响应。
图2.在反复加热和冷却过程中2畴结构的连续演变。(a,b)在290 K下，面内PFM相位和振幅图像。(c,d)在290 K下，面外PFM相位和振幅图像。(e–p)面外PFM相位和振幅的连续演变过程。从(c,d)290 K →(e,f)313 K →(g,h)290 K →(i,j)333 K →(k,l)290 K →(m,n)353 K →(o,p)290K。
该工作展现了一个新的三维杂化稀土复钙钛矿铁电/压电材料体系，可以通过改变有机阳离子、碱金属离子和稀土离子来实现其性能的调控和优化。由于存在很大的可操作性空间，这一发现也将有利于开发具有优良铁电、压电和其他光电特性的新型稀土分子基材料。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c00480
