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第一作者：Bo Chen、Tao Li

通訊作者：黃勁松

通訊單位：內布拉斯加大學林肯分校、北卡羅來納大學

研究亮點：

1. 發現MAPbI₃單晶的大的電致伸縮反應。

2.機械能密度0.74 J cm^-3，與人體肌肉相當。

3. 電致伸縮系數為-730 nm²V^-2，電致伸縮材料中最高值。

有機無機雜化鈣鈦礦在光伏、光電探測器、輻射探測器和發光二極管等方面表現出色性能。機電性能作為無機鈣鈦礦的主要應用被廣泛研究。然而，很少有人調查有機無機雜化鈣鈦礦的機電性能。

有鑒于此，黃勁松課題組在甲銨三碘化鉛（MAPbI₃）單晶中發現大的電致伸縮響應。在3.7 V μm^-1的電場下，MAPbI₃顯示出大的壓縮應變1％，相當于機械能密度高達0.74 J cm^-3，這是目前電致伸縮材料中最高值。

圖1 MAPbI₃單晶的電致伸縮響應

壓縮應變測試：

研究人員首先通過AFM觀察到在MAPbI₃單晶中由電場誘導的高應變，并在小于10 V μm^-1的場下測量，MAPbI₃單晶厚度為40 μm。在3.7 V μm^-1的電場下，MAPbI₃顯示出大的壓縮應變1％。

表1 弛豫鐵電陶瓷，電致伸縮聚合物和MAPbI₃的電致伸縮響應比較

伸縮應變測試：

對于MAPbI₃單晶，計算的電致伸縮系數為-730 nm²V^-2，這是所有報道的電致伸縮材料中最大的。雖然電致伸縮應變MAPbI₃僅為1％，其電致伸縮系數較大，相對較大的楊氏模量為14.8 GPa。這就使MAPbI₃單晶的機械能量密度高達0.74 J cm^-3，這是目前的最高值。這種機械能密度與人體肌肉相當，也與典型的執行器材料相當（0.016~1.0 J cm^-3）。

進一步，研究人員采用激光干涉法直接測量MAPbI₃晶體的宏觀應變，以驗證偏壓下鈣鈦礦晶體中的應變。值得指出的是，壓電效應和電致伸縮都可以引起機電響應，壓電性影響、熱膨脹、本征電致伸縮效、麥克斯韋應力、鐵電性、局部極化波動和MA⁺有序性等因素均被排除對該機電響應的影響。

圖2 MAPbI₃單晶的電致伸縮響應的宏觀測量

AFM和DFT計算： 

為了評估電致伸縮的應變穩定性和響應時間對于MAPbI₃單晶，我們采用AFM進行表征。電致伸縮應變立即出現,并保持60 s不變，而且在1200個致動循環期間，電致伸縮性能展現出高度可重復性。因此，MAPbI₃單晶具有穩定的電致伸縮響應。DFT計算結果表明MAPbI₃的電致伸縮起源是，在偏壓下，額外缺陷會引起的MAPbI₃的晶格變形。

圖3 電致伸縮的穩定性和響應時間尺度

總之，鈣鈦礦大的電致伸縮效應具有巨大的研究潛力，例如：執行器、聲納和微機電系統等。

參考文獻：

Chen B, et al. Large electrostrictiveresponse in lead halide perovskites[J]. Nature Materials, 2018.

DOI: 10.1038/s41563-018-0170-x

https://doi.org/10.1038/s41563-018-0170-x