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张恒课题组在Angew发表弹性铁电材料重要研究成果

发布日期:2024-03-22 点击量:

近日,红宝石网址线路检测中心化学工程学院张恒(正高级实验师)课题组和中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队合作,在铁电材料弹性化领域取得重要研究进展,相关成果以“Elastic relaxor ferroelectric by thiol-ene click reaction”为题发表在国际化学顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上。红宝石网址线路检测中心为论文第一完成单位及通讯单位,化学工程专业2021级硕士研究生李博文为论文第一作者,张恒和高欣副教授为论文共同通讯作者。

电子材料的弹性化为可穿戴设备领域带来了新的机遇。铁电体类似于半导体和电极,是可穿戴电子产品中的关键材料。但可穿戴设备的发展需要铁电体在内的这些电子材料能够承受大幅(达到50~80%)且频繁的应变,同时要求其保持良好的电学性能。因此,铁电材料的弹性化成为一个极具前景的方向。与经典铁电体类似,弛豫铁电体表现出多功能性,包括热释电性、压电性和介电性等,为开发和应用为高性能驱动器和传感器提供了广阔的前景。然而,无机弛豫铁电体表现出脆性,而有机弛豫铁电性表现出塑性,均无弹性。弛豫铁电体作为现代电子设备中的关键材料,这一问题将限制了它们在柔弹性电子产品中的应用。中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员和胡本林研究员首次提出了“弹性铁电体”的概念(Science, 2023, 381: 540–544),通过精准微交联实现了铁电体结晶度和回弹性之间的微妙平衡。然而,该本征弹性铁电体的实现条件需要高温热交联,在一定程度上限制了弹性铁电材料的应用前景。

本研究以弛豫性铁电聚合物聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯[P(VDF-CTFE)]为研究对象,在前期研究的基础上,作者利用巯基-烯点击反应,实现了含双键的弛豫性铁电聚合物P(VDF-CTFE-DB)与含巯基的交联剂TMPMP的交联,构建了聚合物网状结构,从而实现了弛豫性铁电体的本征弹性化。交联后的铁电薄膜断裂伸长率达260%,在50%应变的疲劳测试中,该弹性弛豫铁电薄膜在3,000次应变循环后仍能保持80%的应变回复率,与市售的氟弹性体P(VDF-HFP)相近。通过对交联薄膜进行电学性能表征,验证了交联薄膜在较宽频率内稳定的铁电响应。最终,以该弹性弛豫性铁电体薄膜为介质层制备的全弹性铁电器件在70%应变下展现了稳定的铁电响应,进一步验证了该弹性弛豫铁电薄膜应用于可穿戴设备的可能性。本研究为构建本征弹性弛豫铁电材料提供了一个简便、高效的新思路。

上述研究工作得到了国家自然科学基金(51931011、51963012、52263011、52127803)、云南省“兴滇英才支持计划”青年人才专项(YNWR-QNBJ-2020-039、YNWR-QNBJ-2020-045)等项目的资助。

原文链接:https://doi.org/10.1002/ange.202400511

(供稿:化工学院)

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