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  電致伸縮效應(yīng)是鐵電聚合物壓電效應(yīng)的起源，即鐵電聚合物的壓電效應(yīng)是剩余極化偏置情況下的電致伸縮效應(yīng)。但是一直以來(lái)人們卻不知道如何去利用電致伸縮效應(yīng)來(lái)提高鐵電聚合物的壓電性能。而這其中的關(guān)鍵原因在于人們對(duì)聚合物壓電效應(yīng)的結(jié)構(gòu)起源仍然存在著爭(zhēng)議，爭(zhēng)議的關(guān)鍵點(diǎn)在是半結(jié)晶聚合物中的哪個(gè)組分貢獻(xiàn)了其壓電性質(zhì)？只有對(duì)聚合物壓電效應(yīng)的結(jié)構(gòu)起源有深入的理解，才能知道如何利用電致伸縮效應(yīng)來(lái)進(jìn)一步提高鐵電聚合物的壓電性能。

  這項(xiàng)工作研究了一系列VDF含量為50至65 mol.%的P(VDF-TrFE)無(wú)規(guī)共聚物。所有的樣品都經(jīng)過(guò)了淬火 (Q)、拉伸 (S)、130 °C 退火 (A) 和100 MV/m 的單向極化 (P) 的加工工藝。壓電性能研究顯示，室溫下，在P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品中實(shí)現(xiàn)了最佳的壓電性能（d₃₁= 57.6±2.4 pm/V），并且隨著VDF含量的增加，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP和P(VDF-TrFE) 65/35QSAP樣品的壓電系數(shù)d₃₁分別下降到30.1±1.7 pm/V和9.0±3.3 pm/V。同步輻射X-光衍射研究結(jié)果表明：一種位于取向非晶相內(nèi)的弛豫次級(jí)晶體（如圖1a的微觀結(jié)構(gòu)示意圖所示）是P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品高壓電性能的原因。位于取向非晶相內(nèi)的弛豫次級(jí)晶體提高了樣品的介電常數(shù)，使剩余極化偏置的電致伸縮效應(yīng)（壓電效應(yīng)）得到顯著增強(qiáng)。

圖1. (a) P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品的微觀結(jié)構(gòu)示意圖；(b) P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品的壓電系數(shù)隨溫度的變化。圖片根據(jù)原文重新組合。

  在這個(gè)基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步研究了P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品壓電性能隨溫度的變化，如圖1b所示。在55°C時(shí)，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品的壓電系數(shù)d₃₁高達(dá)77±5 pm/V，是室溫時(shí)的兩倍多。而此時(shí)的剩余極化強(qiáng)度只有室溫時(shí)的1/3，這說(shuō)明了對(duì)壓電性能來(lái)說(shuō)，偶極的運(yùn)動(dòng)能力比剩余極化更重要。

  這一成果近期發(fā)表在Matter上 (Matter. 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.09.008)。論文的第一作者為華南理工大學(xué)博士生朱治文，共同第一作者為美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)博士生芮冠淳，通訊作者為華南理工大學(xué)何和智教授，凱斯西儲(chǔ)大學(xué)祝磊教授和Philip L. Taylor教授。

  論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00453-7