蘇州納米所趙志剛團(tuán)隊(duì)Nano Energy:?jiǎn)卧訅弘姂?yīng)用取得新進(jìn)展
壓電現(xiàn)象源于材料的非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)依賴性嚴(yán)重限制了壓電材料種類。理論上,基于表面修飾的對(duì)稱性破缺可用于增強(qiáng)材料壓電性能。例如,密度泛函理論(DFT)計(jì)算結(jié)果表明,中心對(duì)稱的石墨烯可通過(guò)特定原子(F、H)的選擇性吸附獲得壓電響應(yīng),但此類研究大多局限于理論模型,實(shí)驗(yàn)手段難以實(shí)現(xiàn)。近年來(lái),單原子在催化領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注,研究者利用金屬原子與載體的配位作用改變材料表面化學(xué)結(jié)構(gòu),獲得催化性能提升。這種配位作用也將顯著改變材料表面的局域?qū)ΨQ性。
受此啟發(fā),中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所趙志剛團(tuán)隊(duì)首次將單原子材料應(yīng)用于壓電領(lǐng)域?;?/font>DFT仿真確定目標(biāo)單原子,系統(tǒng)比較了3d金屬Ni、Cr,4d金屬Mo和5d金屬W、Ir、Pt在六方氮化硼(h-BN)載體上的Bader電荷與鍵長(zhǎng)信息,發(fā)現(xiàn)單原子W負(fù)載的h-BN體系具有較好的穩(wěn)定性與較高的極化率。
圖1 DFT計(jì)算指導(dǎo)單原子材料篩選
基于以上分析,研究團(tuán)隊(duì)選用羰基鎢W(CO)6作為前驅(qū)體,通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱法首次實(shí)現(xiàn)W原子在惰性h-BN納米片的表面負(fù)載,并通過(guò)球差電鏡和X射線近邊吸收譜證實(shí)了W的原子級(jí)分散。重元素W較大的原子半徑與特殊的價(jià)層電子結(jié)構(gòu),能夠打破載體材料的局域對(duì)稱性使電子重新分布,通過(guò)引入極化改變其壓電性能。實(shí)驗(yàn)表明,在W單原子負(fù)載量相當(dāng)?shù)停?/font>0.34 at%)的情況下,h-BN納米片的壓電響應(yīng)即可獲得12倍提升;壓電信號(hào)強(qiáng)度與W負(fù)載量之間有著線性依賴關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證實(shí),此策略適用于多種二維基底材料。由單原子引入對(duì)稱性破缺來(lái)改善材料的壓電響應(yīng),為壓電材料的設(shè)計(jì)提供了新思路,同時(shí)拓展了單原子的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖2 單原子W負(fù)載于h-BN納米片的微觀形貌表征
圖3 單原子壓電材料的壓電響應(yīng)性能
相關(guān)工作以Symmetry-breaking triggered by atomic tungsten for largely enhanced piezoelectric response in hexagonal boron nitride為題發(fā)表于Nano Energy,中科院蘇州納米所聯(lián)培碩士生張濤陽(yáng)為論文第一作者,通訊作者是中科院蘇州納米所叢杉項(xiàng)目研究員,徐州工程學(xué)院鞏文斌副教授(共同通訊)負(fù)責(zé)文中的計(jì)算模擬內(nèi)容。該工作獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院青促會(huì)、江西省自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。
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