胡卫进等具有大击穿电场和储能密度的二维反铁电杂化钙钛矿

tianliang

铁电或反铁电体是典型非线性介电材料，拥有自发极化特性，并能对电场、应力等外部环境作出灵敏的响应，可应用于非易失性存储器、应变传感器和储能器件领域。无机铁电/反铁电材料具有极化强度大、有序温度高和相结构丰富等优点，而有机铁电/反铁电材料具有合成温度低和规模制备等优势。有机-无机杂化材料则可能在单相内兼具有机和无机组分不同特性的潜力，以实现更佳的综合器件性能。当前，铅基杂化钙钛矿因具有优异的光学性能，已经在太阳能电池和光电探测等能量转化和探测领域得到广泛关注，但是杂化钙钛矿在能量存储领域的应用则鲜有研究。已知的杂化钙钛矿介电储能材料主要集中在反铁电材料上，存在击穿电场低(<100 kV/cm)、储能密度小(<0.26 J/cm3)、奈尔温度低(<355 K)等缺点，迫切需要开发兼具大的极化强度和击穿电场的杂化钙钛矿材料以提升储能性能。

　　围绕这一目标，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心功能材料与器件研究部李伶俐博士生、胡卫进研究员、张志东研究员等与国内外多家单位合作，制备了高质量的二维杂化钙钛矿苯甲胺铅溴[(PMA)2PbBr4] 单晶，精确测定了其晶体结构，并系统研究了铁电、介电和电输运性能。实验发现该化合物随温度增加，发生铁电相I-铁电相II-反铁电相的系列结构相变，室温为反铁电相。该结构相变和苯甲胺有机分子的取向排列及铅溴八面体的晶格畸变演化密切相关。室温下，伴随着电场诱导的反铁电-铁电转变，研究人员获得了1.7 J/cm3的储能密度以及70 K的宽工作温区。这些优良的储能性能源于其可观的电极化强度(7.6 μC/cm2)以及超过1000 kV/cm的击穿电场。本研究厘清了苯甲胺铅溴的晶体结构和相变特性，为开发基于二维杂化钙钛矿的介电储能器件提供了新思路。
　　相关结果以“2D Antiferroelectric Hybrid Perovskite with a Large Breakdown Electric Field And Energy Storage Density”为题，于2023年7月12日发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials) 期刊上。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、重点项目及沈阳材料科学国家研究中心的资助。
　　全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202305524
       文章来源：金属所
       胡卫进，中国科学院金属研究所研究员。2005年本科毕业于哈尔滨工业大学，2011获中国科学院金属研究所博士学位，期间于2008年获国家留学基金资助赴美国宾州州立大学做访问研究。2012-2017年，先后在新加坡南洋理工大学和沙特阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究工作。2017年12月入职中国科学院金属研究所，任副研究员；2019年03月起任研究员。近年来，在Nature Communications、Advanced Functional Materials,、Nano letter、ACS Applied Materials & Interfaces、Scientific Reports等期刊发表论文39余篇，在npj 2D materials and application发表二维铁电综述一篇。论文他引1500余次，H因子20。主要研究兴趣包括低维铁电、铁磁、半导体薄膜及其异质结构的外延生长和制备，研究低维铁电材料界面丰富的磁、光、电耦合效应，探索它们在现代信息存储、驱动传感等领域的应用。于2017年获中科院百人计划支持，目前主持一项国家自然科学基金面上项目, 担任Nature communications, Advanced Materials, IEEE Transactions on Nanotechnology 等16种国际学术期刊审稿人。