熊仁根课题组JACS：二茂铁基钙钛矿压电材料

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近日，在“东南大学十大科学与技术问题”启动培育基金的资助下，江苏省“分子铁电科学与应用”重点实验室研究团队在分子压电领域取得重要进展，发现了首例二茂铁基钙钛矿压电材料。相关成果以“Organometallic-based hybrid perovskite piezoelectrics with narrow band gap”为题发表在化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society《美国化学会会志》上。

压电材料

图1.(a) (FMTMA)PbI3, (FMTMA)PbBr2I和 (FMTMA)PbCl2I的晶体结构图；(b) 制备的压电能量收集装置示意图。

       有机无机杂化钙钛矿（通式为ABX3）由于其在太阳能电池、光电探测器、电致发光、压电等高新科技领域中可观的发展潜力而备受专注。在杂化钙钛矿领域，因其优异的结构多样性和化学可调性，涌现出了各种结构新颖和性能卓越的压电和铁电材料。然而，迄今为止报道的杂化钙钛矿压电体中，A位的成分几乎都是纯有机胺离子。自1951年以来，二茂铁的问世掀起了有机金属化学的革命。基于二茂铁的有机金属化合物由于其性能的多样性和功能的丰富性在纳米医学，生物传感，催化和氧化还原等领域具有广阔的应用前景。经过多年发展，二茂铁基有机金属化合物在铁磁和铁弹等领域也取得了重大突破。然而，基于二茂铁基阳离子的钙钛矿压电材料此前仍是一片空白。
在“铁电化学”理论（针对铁电体的分子设计原理）的启发和指导下，我们发现以二茂铁基组分作为阳离子来代替有机胺是可行的，并构筑了一类新型的二茂铁基钙钛矿压电材料：[（二茂铁基甲基）三甲基铵]PbI3 ((FMTMA)PbI3), (FMTMA)PbBr2I和 (FMTMA)PbCl2I (图1)。得益于二茂铁基阳离子的稳定性，通过阴离子骨架中的卤素调控使材料的性能得到显著提升，获得了与LiNbO3相当的出色压电性能并兼具突出的半导体特性(图2)。基于该材料所制备的压电能量收集装置展现了其优异的机电能量转换性能 (图1b)。这项工作为钙钛矿压电材料的研究开辟了新的篇章，将激发对二茂铁基钙钛矿材料的进一步研究。

压电材料

图2. (a-b) (FMTMA)PbI3, (FMTMA)PbBr2I, (FMTMA)PbCl2I和PVDF薄膜样品的压电响应；(c) (FMTMA)PbI3, (FMTMA)PbBr2I 和 (FMTMA)PbCl2I的SHG信号强度；(d) (FMTMA)PbI3, (FMTMA)PbBr2I 和 (FMTMA)PbCl2I 的紫外可见吸收光谱。

        据悉，东南大学化学化工学院博士生张志旭为论文第一作者，张含悦博士和熊仁根教授为论文通讯作者，东南大学为第一通讯单位。
        论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c09288

供稿：化学化工学院

        文章来源:东南大学

       熊仁根,1961年7月生，东南大学化学化工学院教授，博士生导师。1982年 江西大学化学系 学士（本科）,1982年9月 至 1985年 6 月 江西省印染厂技术员,1985年9月 至 1987年12月,延边大学化学系有机化学专业研究生（硕士），1991年9月 至 1994年8月，后勤工程学院，获机械润滑工程工学博士。1994年在南京大学配位化学研究所博士后研究。1996年在美国Puerto Rico大学从事博士后研究。1997年在美国Brandeis大学从事博士后研究。1998年在美国Boston学院任访问学者。1999-2006年为南京大学化学化工学院教授，博士生导师，南京大学中青年学术骨干。教育部长江学者特聘教授（2004年），也是国家杰出青年基金获得者（2002年），2013年入选中国科学院院士增选有效候选人名单。