清华大学通过β晶实现具有超高压电性的聚合物纳米纤维

365体育官网2017年2月22日讯  随着可穿戴电子和能量收集领域的兴起,压电聚合物材料再度引起研究者的关注。因传统的压电聚合物受限于压电材料本身的半晶态(或者非晶态),导致其压电常数远低于压电陶瓷等材料。

近日,清华大学微电子所王晓红课题组在《美国化学学会·纳米》(ACS Nano,影响因子:13.33)在线发表了《通过β晶向自调控实现具有超高压电性的聚合物纳米纤维》(Ultrahigh Piezoelectric Polymeric Nanofibers via Self-Orientation of β-Phase Nanocrystals)研究论文,揭示了压电聚合物纳米纤维的压电晶相在氧化石墨烯片层的包裹下形成芯-壳结构的同时进行自我调控过程。该论文的审稿人指出,“这项工作提出了非常有趣的设计和得到了很好的结果”,“这项工作非常新颖,具有非常大的应用前景和调控材料性能”。

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压电纳米纤维材料结构模型和表征验证结果。

该项研究首次创造性地设计了一种芯-壳结构,利用外层包裹的氧化石墨烯来使中间的聚合物链从非极性的α相转为极性的β相,并且利用纳米纤维的一维结构和机械拉伸,实现压电β相聚合物长链单向排布,并且在外界电场的调控下,实现具有一致的极化方向,从而极大地提高了纳米纤维的压电性能。

从结构的角度来看,传统聚合物压电材料受外界物理作用,可以使非极性的晶相转化为极性。但是,一方面由于材料本身的热效应等作用,极性晶相并不稳定;另一方面,由于各个压电晶相的极化方向不尽相同,相反极化方向的晶相会相互抵消,材料呈现出的压电性能并不理想。该项研究利用先进的二维材料来调控纳米聚合物纤维的晶相,极大地提升了聚合物的压电性能。该研究方法为未来实现不同材料性能的调控提供了很有前瞻性的借鉴。

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芯-壳纳米纤维结构表征结果:(a)纤维的表面形貌图,(b)纤维的TEM图,(c)和(d)纤维上的原子定向排布。

清华大学微电子所王晓红教授为该论文的通讯作者,微纳电子系博士生刘霞为第一作者,清华大学材料学院马静助理教授、微电子所伍晓明副教授以及美国加州大学伯克利分校林立伟教授为本文的共同作者。该研究成果得到了国家自然科学基金和国家基础研究基金等项目的支持。

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