无序物质科学研究中心在稀土新材料研究领域取得又一重要突破

近日，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，本研究中心在稀土新材料研究方面取得又一重要突破，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”（杂化稀土双钙钛矿弛豫型铁电体中的大压电响应）为题在线发表。

论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.0c00480

论文题目：

《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）

 引言：

压电材料在应用技术上很重要，最常体现在钙钛矿铁电材料。近年来，越来越多的新兴领域对压电材料提出了新的要求，例如重量轻，声阻抗低，柔韧性和生物相容性好。最近发现的杂化金属复钙钛矿体系表现出优异的铁电性。但是，尚未开发出其作为压电材料的潜力。在这里，我们发现并描述了杂化稀土复钙钛矿弛豫型铁电体(RM3HQ)₂RbLa(NO₃)₆和(RM3HQ)₂NH₄La(NO₃)₆（RM3HQ = R-N-甲基-3-羟基奎宁环）。它们都能够表现出大压电响应，压电响应值分别为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。

 成果简介：

      压电材料可将机械能转换为电能，反之亦然。此功能使它们适用于各种应用设备，例如，致动器，换能器和传感器等。在对稀土复钙钛矿体系的研究过程中，我们发现，即使在较低的温度下，A位点手性有机阳离子仍以无序态所存在。这源自于复钙钛矿体系更倾向结晶于中心对称空间群Fm3m。该结构特征的存在，可使手性复钙钛矿体系中实现弛豫铁电性行为和较大的压电响应。本文，我们报告了杂化稀土复钙钛矿弛豫型铁电体(RM3HQ)₂RbLa(NO₃)₆（1）和(RM3HQ)₂NH₄La(NO₃)₆（2）中的大压电响应行为。我们通过变温压电响应力显微镜（PFM）图像发现铁电极性微区和顺电非极性微区在宽的温度范围内共存。两相的共存揭示了两相之间以及具有不同极化方向的极性微区之间存有较低的跃迁能垒。这就促使了在施加外界应力时极性微区易于实现极化旋转。这一发现代表了基于无铅杂化复钙钛矿的压电材料向应用又迈出了重要的一步。

  图文导读：

图2. 1的压电特性。(a) 驱动电压为1V时，化合物1，(PVDF0.7-TrFE0.3) 和LiNbO₃薄膜样品的PFM共振峰的比较。(b) 化合物1，(PVDF0.7-TrFE0.3) 和LiNbO₃薄膜样品的有效压电响应的比较。(c) 通过施加脉冲应力产生的电压信号。

图3. 1铁电特性的表征。(a) 沿 [111] 方向所测介电曲线图。(b) T_m附近测得Cole-Cole曲线图。(c) 加热过程中，热释电电流曲线的测定。(d) 在270 K时，电滞回线的测量。

图4. 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。

图5. 1 的压电机理示意图。(a) P213相的压电机理示意图。箭头表示偶极矩。f_[111]表示沿 [111]方向的正应力。(b) 高于T_m时，极性微区的压电机理示意图。箭头表示极性微区的P_s。