中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
壓電材料在能源收集、傳感器和執(zhí)行器等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的壓電材料通常缺乏柔性和可溶性，限制了它們在一些特定應(yīng)用中的使用。為了克服這些限制，研究者們致力于開發(fā)具有高壓電性能的柔性多組分壓電晶體薄膜。這些薄膜不僅需要保持高壓電性能，還需要具備水觸發(fā)溶解行為，以便在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
本研究提出了一種通過共溶解-蒸發(fā)法制備具有最佳壓電性能和水觸發(fā)溶解行為的柔性薄膜的方法。研究中使用了三甲基氯甲基氯化銨（TMCM-Cl）、CdCl2和聚環(huán)氧乙烷（PEO，一種水溶性聚合物）的混合物。所得的TMCM三氯鎘（TMCM-CdCl3）晶體/PEO薄膜表現(xiàn)出最高的壓電系數(shù)（d33），因為PEO缺乏親電或親核側(cè)鏈基團，因此與晶體成分的鍵合相互作用相對較弱且較少。此外，通過在共溶解過程中略微增加TMCM-CdCl3的一個前驅(qū)體的量，該組分在與PEO的競爭中獲得了與另一個前驅(qū)體鍵合的優(yōu)勢，從而提高了TMCM-CdCl3的共結(jié)晶產(chǎn)率，并進一步將d33提高到約71 pC/N，超過了聚偏二氟乙烯（一種商業(yè)柔性壓電）和大多數(shù)其他基于分子鐵電晶體的柔性薄膜。
該成果以“Bonding Optimization Strategies for Flexibly Preparing
Multi-Component Piezoelectric Crystals”為題發(fā)表在近期的Advanced Materials期刊上。
論文的第一作者為博士研究生白源，共同通訊作者分別為李舟研究員，孟宏宇助理研究員。
圖1. TMCM-CdCl3/聚合物復(fù)合膜的制備與表征。a) 六種聚合物對TMCM-CdCl3結(jié)晶的抑制效應(yīng)及其相應(yīng)鍵合相互作用的示意圖比較。b) 共溶解-蒸發(fā)法的示意圖。c) 不同TMCM-CdCl3/聚合物復(fù)合膜的d33值。（n = 10，每膜獨立測量10個點的d33值。數(shù)據(jù)以均值 ± 標準差表示）。
圖2. TMCM-CdCl3/PEO復(fù)合膜的表征。a) d33值（n = 10，每膜獨立測量10個點的d33值。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示），b) XRD圖譜，c) 不同TMCM-CdCl3:PEO質(zhì)量比制備的膜的頂面SEM圖像。d) 采用TMCM-CdCl3:PEO質(zhì)量比為3:2制備的夾層結(jié)構(gòu)膜的橫截面SEM圖像和EDS圖譜。
圖3. TMCM-CdCl3/PEO復(fù)合膜中的競爭機制。a) 示意圖展示了通過略微增加一個晶體組分的量來與PEO競爭與另一個組分鍵合，從而提高TMCM-CdCl3的結(jié)晶產(chǎn)率。b) 一個晶體組分過量的TMCM-CdCl3/PEO膜的d33值：TMCM-Cl與CdCl2的摩爾比從2:1到1:2不等。（n = 10，每膜獨立測量10個點的d33值。數(shù)據(jù)以均值±標準差表示。）c) 本工作中d33值與其他先前報道的基于分子鐵電晶體的柔性復(fù)合膜的d33值的比較。
圖4. TMCM-CdCl3/PEO膜的力學(xué)性能。a) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線。b) 從a)中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線計算得到的彈性模量。c) 在恒定應(yīng)變?yōu)?.1%的條件下，從0.1到80 Hz的頻率掃描模式下的動態(tài)力學(xué)分析。d) 在恒定頻率為1 Hz的條件下，從0.005%到0.2%應(yīng)變的應(yīng)變掃描模式下的動態(tài)力學(xué)分析。膜的制備采用TMCM-CdCl3:PEO質(zhì)量比從1:3到3:2。TMCM-CdCl3/PEO膜（標記為“3:2 (+)”）是在TMCM-CdCl3:PEO質(zhì)量比為3:2和TMCM-Cl:CdCl2摩爾比為1.2:1的條件下制備的。
圖5. 基于TMCM-CdCl3/PEO膜的柔性壓電傳感器的性能。a) 傳感器的示意圖和照片。b) 傳感器的工作原理。c–e) 傳感器的電學(xué)輸出：c) 電壓，d) 電流，和e) 在脈沖5牛頓力作用下的電荷。f) 電壓隨頻率的變化。g) 耐久性測試。h) 傳感器在手上的放置示意圖。i) 當(dāng)彎曲手指至不同角度時，附著在食指關(guān)節(jié)上的傳感器的信號。j) 當(dāng)不同手指敲擊桌面時，放置在手背上的傳感器陣列的信號。
圖6. 壓電膜組分的溶解與回收。a) TMCM-CdCl3/PEO復(fù)合膜在水中數(shù)秒內(nèi)溶解。b) 傳感器組分分離與回收的示意圖。c) 回收的TMCM-CdCl3的XRD圖譜。
本研究在制備柔性多組分壓電晶體薄膜過程中保持高壓電性能的方法和理論方面取得了重要創(chuàng)新和進展。通過優(yōu)化鍵合策略，成功制備了具有高壓電性能和水觸發(fā)溶解行為的柔性薄膜，為柔性壓電材料的應(yīng)用提供了新的可能性。
