赵志刚团队Nano Energy：单原子压电应用取得新进展

lianpihou

压电现象源于材料的非中心对称结构，这种结构依赖性严重限制了压电材料种类。理论上，基于表面修饰的对称性破缺可用于增强材料压电性能。例如，密度泛函理论（DFT）计算结果表明，中心对称的石墨烯可通过特定原子(F、H)的选择性吸附获得压电响应，但此类研究大多局限于理论模型，实验手段难以实现。近年来，单原子在催化领域受到了广泛关注，研究者利用金属原子与载体的配位作用改变材料表面化学结构，获得催化性能提升。这种配位作用也将显著改变材料表面的局域对称性。
　　受此启发，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所赵志刚团队首次将单原子材料应用于压电领域。基于DFT仿真确定目标单原子，系统比较了3d金属Ni、Cr，4d金属Mo和5d金属W、Ir、Pt在六方氮化硼（h-BN）载体上的Bader电荷与键长信息，发现单原子W负载的h-BN体系具有较好的稳定性与较高的极化率。

　　　　图1 DFT计算指导单原子材料筛选

　　基于以上分析，研究团队选用羰基钨W(CO)6作为前驱体，通过简单的水热法首次实现W原子在惰性h-BN纳米片的表面负载，并通过球差电镜和X射线近边吸收谱证实了W的原子级分散。重元素W较大的原子半径与特殊的价层电子结构，能够打破载体材料的局域对称性使电子重新分布，通过引入极化改变其压电性能。实验表明，在W单原子负载量相当低（0.34 at%）的情况下，h-BN纳米片的压电响应即可获得12倍提升；压电信号强度与W负载量之间有着线性依赖关系。实验证实，此策略适用于多种二维基底材料。由单原子引入对称性破缺来改善材料的压电响应，为压电材料的设计提供了新思路，同时拓展了单原子的应用领域。

　　　　图2 单原子W负载于h-BN纳米片的微观形貌表征

　　　　图3 单原子压电材料的压电响应性能

　　 相关工作以Symmetry-breaking triggered by atomic tungsten for largely enhanced piezoelectric response in hexagonal boron nitride为题发表于Nano Energy，中科院苏州纳米所联培硕士生张涛阳为论文第一作者，通讯作者是中科院苏州纳米所丛杉项目研究员，徐州工程学院巩文斌副教授（共同通讯）负责文中的计算模拟内容。该工作获得国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院青促会、江西省自然科学基金等项目资助。
　　论文链接 :https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107375


      


       文章来源：苏州纳米所
       赵志刚,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，研究员，博士生导师，江苏省杰出青年基金获得者.2000-2003年就读于中国科学院金属研究所攻读硕士学位，师从成会明院士。2003年7月开始获法国政府奖学金资助作为中国科学院金属研究所和法国巴黎高等工程大学 （Ecole Centrale de Paris）联合培养的博士研究生赴法国国家科学研究院（CNRS）联合培养 1 年半。2006 年博士毕业后先后在日本大阪大学和美国代顿大学做博士后工作。2007 年 12 月起开始在日本产业技术综合研究所任特任研究员，参与日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）重大项目。2011 年6月加入中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所。