柔性晶体赋能微型机器，NTU新研究为可弯曲电子学铺平道路

近日，南洋理工大学的研究人员开发了一种新材料，当向其施加电能时，其弯曲能力比竞争对手高40倍，从而为更好的微型机器开辟了道路。

Fan Hong Jin 教授 (左) PhD Hu Yuzhong（右）

新型材料赋能微型机器

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近日，南洋理工大学物理与数学科学学院（School of Physical & Mathematical Sciences）的研究团队开发出了一种新型柔性材料，该材料在保证其性能的前提下提高了材料柔韧性，为微型机器的发展提供了支持。

NTU物理与数学科学学院

新型材料弯曲能力卓群

这种新材料相比过去的材料，弯曲能力更强，未来可能被应用于微型机器领域。

当材料弯曲时，它可以非常有效地发电，并且可以用于更好的“能量收集”。这意味这种材料可能能够仅通过日常运动为小工具中的电池充电。

新型材料既是电致伸缩的又是压电的。电致伸缩性是指，当施加电流时它可以改变形状，而压电则意味着该材料可以将压力转换成电荷。当施加电场时，构成电致伸缩材料的原子移动，从而导致材料变形和弯曲。当压电材料被压缩时，压力被转换为电荷，这些电荷积聚在材料中。

科学家发现，当施加电场时，这种新的混合材料可能会变形至22％，这是迄今为止压电材料中最高的应变。这种变形比率远远超过了传统的压电材料，当电流通过时，压电材料的变形率最高仅为0.5％。另外，新材料还比其他压电和电致伸缩材料更节能。

压电材料通常用于吉他，扬声器，传感器和电动机。例如，压电拾音器是一种用于电吉他中的设备，用于将琴弦上的振动转换成电信号，然后将其处理以进行音乐录制或通过扬声器进行放大。

压电材料

铁晶体管最早于1920年被发现，因为其易于集成到电子设备中，所以已被用于制造压电材料超过70年。然而，铁晶体管易碎且不易弯曲，只能弯曲0.5％，这极大地限制了它们在电子设备中的应用，例如执行器（将电控制信号转换为机械运动的部件，例如打开和关闭的阀门）。

除此之外，一些铁电体还包含有毒的铅，并且其生成的电子废物难以回收。传统的铁电体（例如钙钛矿氧化物）也不适合于需要和皮肤接触的柔性电子设备，比如跟踪心律的可穿戴生物医学设备。

上个月在科学期刊《Nature Materials》上发表的这种新材料很好的解决了以上的问题。这是由南洋理工大学物理与数学科学学院的Fan Hong Jin教授及其团队发现的，其中包括他的博士生Hu Yuzhong，他是本文的第一作者。团队的成员还包括来自中国南方科技大学的Junling Wang教授，他曾是南洋理工大学材料科学与工程学院的教授。

Fan Hong Jin 教授 与 Hu Yuzhong

范教授说：“这种新型铁电材料的柔韧性是同类电致伸缩材料的40倍以上，可用于许多高效装置，例如在施加电场时会弯曲的致动器和传感器。凭借其卓越的压电性能，该材料还可以用于弯曲时会收集能量的机械设备中，这将有助于为可穿戴设备充电。“

“我们认为，通过进一步优化其化学成分，我们可以在未来大幅改善此性能。并且，这种材料可能在物联网（IOT）的可穿戴设备的开发中发挥关键作用，这是推动第四次工业革命的技术关键之一。”

开发柔性铁电材料

为了开发一种柔性铁电材料，研究人员修改了混合铁电化合物C6H5N(CH3)3CdCl3或简称PCCF的化学结构，其弯曲能力可能是传统铁电化合物的一百倍。

为了进一步扩大材料的移动范围，科学家们通过将化合物的某些氯（Cl）原子替换为大小与氯相似的溴（Br）来修饰该化合物的化学组成，以在结构上削弱该化合物在特定点的化学键。这使材料更加柔软而不影响其压电性能。

这种新材料易于制造，仅需要基于溶液的处理，随着液体的蒸发，晶体就会形成，这与典型的铁晶体管不同，后者需要使用高功率的激光和能量来形成。当对新的PCCF化合物施加电场时，其中的原子位移远比大多数常规铁电体中的原子位移大得多，其应变比常规压电材料高出22％。

参考文献：

1. Hu, Y., You, L., Xu, B. et al. Ferroelastic-switching-driven large shear strain and piezoelectricity in a hybrid ferroelectric. Nat. Mater. (2021).

2. NTU Singapore researchers develop flexible crystals, paving the way for more efficient bendable electronics. NTU news release.

* 本文图片来源：NTU官网，Nature Materials，压电材料制造商官网