中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電材料在能源收集、傳感器和執行器等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。然而，傳統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用中的使用。為了克服這些限制，研究者們致力于開(kāi)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，以便在生物醫學(xué)等領(lǐng)域的應用。
本研究提出了一種通過(guò)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薄膜表現出最高的壓電系數（d33），因為PEO缺乏親電或親核側鏈基團，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(guò)在共溶解過(guò)程中略微增加TMCM-CdCl3的一個(gè)前驅體的量，該組分在與PEO的競爭中獲得了與另一個(gè)前驅體鍵合的優(yōu)勢，從而提高了TMCM-CdCl3的共結晶產(chǎn)率，并進(jìn)一步將d33提高到約71 pC/N，超過(guò)了聚偏二氟乙烯（一種商業(yè)柔性壓電）和大多數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/聚合物復合膜的制備與表征。a) 六種聚合物對TMCM-CdCl3結晶的抑制效應及其相應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/聚合物復合膜的d33值。（n = 10，每膜獨立測量10個(gè)點(diǎn)的d33值。數據以均值 ± 標準差表示）。
圖2. TMCM-CdCl3/PEO復合膜的表征。a) d33值（n = 10，每膜獨立測量10個(gè)點(diǎn)的d33值。數據以均值±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制備的夾層結構膜的橫截面SEM圖像和EDS圖譜。
圖3. TMCM-CdCl3/PEO復合膜中的競爭機制。a) 示意圖展示了通過(guò)略微增加一個(gè)晶體組分的量來(lái)與PEO競爭與另一個(gè)組分鍵合，從而提高TMCM-CdCl3的結晶產(chǎn)率。b) 一個(gè)晶體組分過(guò)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(gè)點(diǎn)的d33值。數據以均值±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合膜的d33值的比較。
圖4. TMCM-CdCl3/PEO膜的力學(xué)性能。a) 應力-應變曲線(xiàn)。b) 從a)中的應力-應變曲線(xiàn)計算得到的彈性模量。c) 在恒定應變?yōu)?.1%的條件下，從0.1到80 Hz的頻率掃描模式下的動(dòng)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%應變的應變掃描模式下的動(dòng)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) 當彎曲手指至不同角度時(shí)，附著(zhù)在食指關(guān)節上的傳感器的信號。j) 當不同手指敲擊桌面時(shí)，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復合膜在水中數秒內溶解。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(guò)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(jìn)展。通過(guò)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用提供了新的可能性。
