近日，南方科技大學物理系講席教授王峻嶺和南洋理工大學教授範紅金團隊合作在壓電材料領域取得重要進展，首次合成新型有機-無機雜化鐵電材料，實現了高達21.5%的剪下應變，超過行業標準的PZT壓電陶瓷兩個數量級。相關研究成果以“Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric”為題在Nature Materials上發表。

壓電晶體被廣泛地應用於製作換能器、感測器、濾波器等一系列的器件，在國民經濟各個領域都起著重要的作用。人們在提高壓電晶體應變數方面付出了許多努力。其中，鐵電或壓電材料、形狀記憶合金的鐵彈性過渡態具有可逆的大應變。然而，使用傳統的鐵電材料來開啟大應變鐵彈性開關非常具有挑戰性。鑑於材料的壓電響應是極化與剛度的比值，可以預測具有高剩餘極化率和低剛度的材料將產生較大的壓電響應。但是在現實中，人們常常發現柔性大的有機材料的極化率較低，而剛性無機材料的極化率高，這一現象引起了研究人員對有機-無機雜化壓電材料的關注。

圖1 (PTMA)CdBr3xCl3(1– x)材料的鐵電、鐵彈性質和(PTMA)CdCl3的鐵彈形變與其它材料體系的對比。

研究團隊將柔性大的有機分子和剛性大的無機材料骨架相結合製備了（PTMA）CdBr3xCl3(1– x)鐵電材料，並用溴摻雜的方法，系統性地調節其機電效能。由於材料結構的限制，（PTMA）CdBr3xCl3(1– x)中180°鐵電極化翻轉極為困難，從而使可控的、具有超大切應變的鐵彈翻轉成為可能。同時，研究表明，Br取代可以有效軟化化學鍵，降低極化翻轉勢壘，進而增強材料的剪下壓電係數。基於密度泛函理論的計算也證實了這一點，在兩個鐵彈性態之間切換的最小能量路徑對映顯示，在富含Br的樣品中存在較淺的雙阱態勢（double-well landscape）。

圖2 (PTMA)CdCl3的晶體結構和電場控制的鐵彈翻轉示意圖與宏觀表現

王峻嶺及其團隊的這項研究為壓電材料的研究開啟了一個新的方向，首次提出的結構約束效應使得精確控制鐵彈翻轉從而獲得超大應變成為可能。化學鍵軟化（bond softening）的原理也可以指導我們篩選更多的優異效能的有機-無機雜化鐵電/壓電材料。

王峻嶺為論文共同通訊作者，南科大是共同通訊作者單位。本課題的開展得到了國家自然科學基金委、新加坡教育部、南方科技大學等機構的支援。

論文連結：

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