黄劲松Nature Mater.:钙钛矿再破纪录,这次不是关于光伏效率!
坡肉先生 纳米人 2018-09-28

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第一作者:Bo Chen、Tao Li

通讯作者:黄劲松

通讯单位:内布拉斯加大学林肯分校、北卡罗来纳大学

 

研究亮点:

1. 发现MAPbI3单晶的大的电致伸缩反应。

2.机械能密度0.74 J cm-3,与人体肌肉相当。

3. 电致伸缩系数为-730 nm2V-2,电致伸缩材料中最高值。

 

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色性能。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,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 V μm-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。

 

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图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%。

 

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表1 弛豫铁电陶瓷,电致伸缩聚合物和MAPbI3的电致伸缩响应比较

 

伸缩应变测试:

对于MAPbI3单晶,计算的电致伸缩系数为-730 nm2V-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)。

 

进一步,研究人员采用激光干涉法直接测量MAPbI3晶体的宏观应变,以验证偏压下钙钛矿晶体中的应变。值得指出的是,压电效应和电致伸缩都可以引起机电响应,压电性影响、热膨胀、本征电致伸缩效、麦克斯韦应力、铁电性、局部极化波动和MA+有序性等因素均被排除对该机电响应的影响。

 

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图2 MAPbI3单晶的电致伸缩响应的宏观测量


AFM和DFT计算: 

为了评估电致伸缩的应变稳定性和响应时间对于MAPbI3单晶,我们采用AFM进行表征。电致伸缩应变立即出现,并保持60 s不变,而且在1200个致动循环期间,电致伸缩性能展现出高度可重复性。因此,MAPbI3单晶具有稳定的电致伸缩响应。DFT计算结果表明MAPbI3的电致伸缩起源是,在偏压下,额外缺陷会引起的MAPbI3的晶格变形。

 

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图3 电致伸缩的稳定性和响应时间尺度

 

总之,钙钛矿大的电致伸缩效应具有巨大的研究潜力,例如:执行器、声纳和微机电系统等。

 

参考文献:

Chen B, et al. Large electrostrictiveresponse in lead halide perovskites[J]. Nature Materials, 2018.

DOI: 10.1038/s41563-018-0170-x

https://doi.org/10.1038/s41563-018-0170-x

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