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China Electronic Components Association
压电材料在能源收集、传感器和执行器等领域有着广泛的应用。然而，传统的压电材料通常缺乏柔性和可溶性，限制了它们在一些特定应用中的使用。为了克服这些限制，研究者们致力于开发具有高压电性能的柔性多组分压电晶体薄膜。这些薄膜不仅需要保持高压电性能，还需要具备水触发溶解行为，以便在生物医学等领域的应用。
本研究提出了一种通过共溶解-蒸发法制备具有最佳压电性能和水触发溶解行为的柔性薄膜的方法。研究中使用了三甲基氯甲基氯化铵（TMCM-Cl）、CdCl2和聚环氧乙烷（PEO，一种水溶性聚合物）的混合物。所得的TMCM三氯镉（TMCM-CdCl3）晶体/PEO薄膜表现出最高的压电系数（d33），因为PEO缺乏亲电或亲核侧链基团，因此与晶体成分的键合相互作用相对较弱且较少。此外，通过在共溶解过程中略微增加TMCM-CdCl3的一个前驱体的量，该组分在与PEO的竞争中获得了与另一个前驱体键合的优势，从而提高了TMCM-CdCl3的共结晶产率，并进一步将d33提高到约71 pC/N，超过了聚偏二氟乙烯（一种商业柔性压电）和大多数其他基于分子铁电晶体的柔性薄膜。
该成果以“Bonding Optimization Strategies for Flexibly Preparing
Multi-Component Piezoelectric Crystals”为题发表在近期的Advanced Materials期刊上。
论文的第一作者为博士研究生白源，共同通讯作者分别为李舟研究员，孟宏宇助理研究员。
图1. TMCM-CdCl3/聚合物复合膜的制备与表征。a) 六种聚合物对TMCM-CdCl3结晶的抑制效应及其相应键合相互作用的示意图比较。b) 共溶解-蒸发法的示意图。c) 不同TMCM-CdCl3/聚合物复合膜的d33值。（n = 10，每膜独立测量10个点的d33值。数据以均值 ± 标准差表示）。
图2. TMCM-CdCl3/PEO复合膜的表征。a) d33值（n = 10，每膜独立测量10个点的d33值。数据以均值±标准差表示），b) XRD图谱，c) 不同TMCM-CdCl3:PEO质量比制备的膜的顶面SEM图像。d) 采用TMCM-CdCl3:PEO质量比为3:2制备的夹层结构膜的横截面SEM图像和EDS图谱。
图3. TMCM-CdCl3/PEO复合膜中的竞争机制。a) 示意图展示了通过略微增加一个晶体组分的量来与PEO竞争与另一个组分键合，从而提高TMCM-CdCl3的结晶产率。b) 一个晶体组分过量的TMCM-CdCl3/PEO膜的d33值：TMCM-Cl与CdCl2的摩尔比从2:1到1:2不等。（n = 10，每膜独立测量10个点的d33值。数据以均值±标准差表示。）c) 本工作中d33值与其他先前报道的基于分子铁电晶体的柔性复合膜的d33值的比较。
图4. TMCM-CdCl3/PEO膜的力学性能。a) 应力-应变曲线。b) 从a)中的应力-应变曲线计算得到的弹性模量。c) 在恒定应变为0.1%的条件下，从0.1到80 Hz的频率扫描模式下的动态力学分析。d) 在恒定频率为1 Hz的条件下，从0.005%到0.2%应变的应变扫描模式下的动态力学分析。膜的制备采用TMCM-CdCl3:PEO质量比从1:3到3:2。TMCM-CdCl3/PEO膜（标记为“3:2 (+)”）是在TMCM-CdCl3:PEO质量比为3:2和TMCM-Cl:CdCl2摩尔比为1.2:1的条件下制备的。
图5. 基于TMCM-CdCl3/PEO膜的柔性压电传感器的性能。a) 传感器的示意图和照片。b) 传感器的工作原理。c–e) 传感器的电学输出：c) 电压，d) 电流，和e) 在脉冲5牛顿力作用下的电荷。f) 电压随频率的变化。g) 耐久性测试。h) 传感器在手上的放置示意图。i) 当弯曲手指至不同角度时，附着在食指关节上的传感器的信号。j) 当不同手指敲击桌面时，放置在手背上的传感器阵列的信号。
图6. 压电膜组分的溶解与回收。a) TMCM-CdCl3/PEO复合膜在水中数秒内溶解。b) 传感器组分分离与回收的示意图。c) 回收的TMCM-CdCl3的XRD图谱。
本研究在制备柔性多组分压电晶体薄膜过程中保持高压电性能的方法和理论方面取得了重要创新和进展。通过优化键合策略，成功制备了具有高压电性能和水触发溶解行为的柔性薄膜，为柔性压电材料的应用提供了新的可能性。
