清華微電子所王曉紅課題組在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》發(fā)文

揭示柔性壓電納米纖維的晶向自調(diào)控過程

清華新聞網(wǎng)2月21日電  近日，清華大學(xué)微電子所王曉紅課題組在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》（ACS Nano，影響因子：13.33）在線發(fā)表了《通過β晶向自調(diào)控實(shí)現(xiàn)具有超高壓電性的聚合物納米纖維》（Ultrahigh Piezoelectric Polymeric Nanofibers via Self-Orientation of β-Phase Nanocrystals）研究論文，揭示了壓電聚合物納米纖維的壓電晶相在氧化石墨烯片層的包裹下形成芯-殼結(jié)構(gòu)的同時(shí)進(jìn)行自我調(diào)控過程。該論文的審稿人指出，“這項(xiàng)工作提出了非常有趣的設(shè)計(jì)和得到了很好的結(jié)果”，“這項(xiàng)工作非常新穎，具有非常大的應(yīng)用前景和調(diào)控材料性能”。 

壓電納米纖維材料結(jié)構(gòu)模型和表征驗(yàn)證結(jié)果。

隨著可穿戴電子和能量收集領(lǐng)域的興起，壓電聚合物材料再度引起研究者的關(guān)注。因傳統(tǒng)的壓電聚合物受限于壓電材料本身的半晶態(tài)（或者非晶態(tài)），導(dǎo)致其壓電常數(shù)遠(yuǎn)低于壓電陶瓷等材料。該項(xiàng)研究首次創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一種芯-殼結(jié)構(gòu)，利用外層包裹的氧化石墨烯來使中間的聚合物鏈從非極性的α相轉(zhuǎn)為極性的β相，并且利用納米纖維的一維結(jié)構(gòu)和機(jī)械拉伸，實(shí)現(xiàn)壓電β相聚合物長鏈單向排布，并且在外界電場(chǎng)的調(diào)控下，實(shí)現(xiàn)具有一致的極化方向，從而極大地提高了納米纖維的壓電性能。

從結(jié)構(gòu)的角度來看，傳統(tǒng)聚合物壓電材料受外界物理作用，可以使非極性的晶相轉(zhuǎn)化為極性。但是，一方面由于材料本身的熱效應(yīng)等作用，極性晶相并不穩(wěn)定；另一方面，由于各個(gè)壓電晶相的極化方向不盡相同，相反極化方向的晶相會(huì)相互抵消，材料呈現(xiàn)出的壓電性能并不理想。該項(xiàng)研究利用先進(jìn)的二維材料來調(diào)控納米聚合物纖維的晶相，極大地提升了聚合物的壓電性能。該研究方法為未來實(shí)現(xiàn)不同材料性能的調(diào)控提供了很有前瞻性的借鑒。

芯-殼納米纖維結(jié)構(gòu)表征結(jié)果：（a）纖維的表面形貌圖，（b）纖維的TEM圖，（c）和（d）纖維上的原子定向排布。

清華大學(xué)微電子所王曉紅教授為該論文的通訊作者，微納電子系博士生劉霞為第一作者，清華大學(xué)材料學(xué)院馬靜助理教授、微電子所伍曉明副教授以及美國加州大學(xué)伯克利分校林立偉教授為本文的共同作者。該研究成果得到了國家自然科學(xué)基金和國家基礎(chǔ)研究基金等項(xiàng)目的支持。

據(jù)悉，近年來，王曉紅教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)致力于微能源的研究，包括能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存、管理等各方面，該論文是繼2016年9月在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》在線發(fā)表題為《用于可穿戴的集成電子系統(tǒng)的具有蜂窩結(jié)構(gòu)的可拉伸超級(jí)電容陣列》（“Highly Stretchable Microsupercapacitor Arrays with Honeycomb Structures for Integrated Wearable Electronic Systems”）論文后，該研究團(tuán)隊(duì)的又一重要研究成果。

論文鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/suppl/10.1021/acsnano.6b07961

供稿：微電子所  編輯：李華山 徐 靜