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《自然·材料》:钙钛矿中大的电致伸缩响应
更新日期:2018-10-31  

有机无机杂化钙钛矿在光伏、光电探测器、辐射探测器和发光二极管等方面表现出优异的性能。机电性能作为无机钙钛矿的主要应用被广泛研究。然而,很少有人调查有机无机杂化钙钛矿的机电性能。

有鉴于此,美国内布拉斯加大学林肯分校黄劲松课题组在甲铵三碘化铅(MAPbI3)单晶中发现大的电致伸缩响应。在3.7 Vμm-1的电场下,MAPbI3显示出大的压缩应变1%,相当于机械能密度高达0.74 J cm-3,这是目前电致伸缩材料中最高值。相关研究成果Large electrostrictive response in lead halide perovskites近日发表在《自然·材料》期刊上(Nat. Mater., 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0170-x)。


1. MAPbI3单晶的电致伸缩响应

压缩应变测试:

研究人员首先通过原子力显微镜(AFM)观察到在MAPbI3单晶中由电场诱导的高应变,并在小于10 V μm-1的场下测量,MAPbI3单晶厚度为40 μm。在3.7 V μm-1的电场下,MAPbI3显示出大的压缩应变1%

伸缩应变测试:

对于MAPbI3单晶,计算的电致伸缩系数为-730 nm2 V-2,这是所有报道的电致伸缩材料中最大的。虽然电致伸缩应变MAPbI3仅为1%,其电致伸缩系数较大,相对较大的杨氏模量为14.8 GPa。这就使MAPbI3单晶的机械能量密度高达0.74 J cm-3,这是目前的最高值。这种机械能密度与人体肌肉相当,也与典型的执行器材料相当(0.016~1.0 J cm-3)。

除微观的AFM测试外,作者也进行了电致伸缩的宏观测量(2a、图2b)以及XRD测试(2c、图2d),进一步证实了MAPbI3大电致伸缩现象。有意思的是,除了大的二阶电致伸缩应变外,他们也观测到一阶压电应变,并估算其压电系数为3.1 pm/V。宏观一阶压电响应的存在,证明这个样品确定无疑是中心对称性破缺的极性材料。至于是不是铁电,则取决于操作层面是否能让其极性反转,并非根本问题。此外,他们也根据XRD峰位漂移估算了其电致伸缩应变大小,和此前的微观测试也数量级相当。


2. MAPbI3单晶的电致伸缩响应的宏观测量

物理现象确认后,剩下的问题当然是可能的微观机理。研究人员首先排除了麦克斯韦力和本征电致伸缩等因素。他们发现电致伸缩响应的时间尺度在毫秒量级,如下图所示。而如果电场激励频率提高到千赫兹水平,则无法实现大的电致伸缩应变,显示这一现象可能与离子运动有关。结合密度泛函理论(DFT)计算,他们推测,MAPbI3大的电致伸缩应变来自电场诱导的间隙原子-空位缺陷对。

     (综合纳米人知社学术圈公众号