第一作者：Bo Chen、Tao Li

通讯作者：黄劲松

通讯单位：内布拉斯加大学林肯分校、北卡罗来纳大学

研究亮点：

1. 发现MAPbI₃单晶的大的电致伸缩反应。

2.机械能密度0.74 J cm^-3，与人体肌肉相当。

3. 电致伸缩系数为-730 nm²V^-2，电致伸缩材料中最高值。

有机无机杂化钙钛矿在光伏、光电探测器、辐射探测器和发光二极管等方面表现出色性能。机电性能作为无机钙钛矿的主要应用被广泛研究。然而，很少有人调查有机无机杂化钙钛矿的机电性能。

有鉴于此，黄劲松课题组在甲铵三碘化铅（MAPbI₃）单晶中发现大的电致伸缩响应。在3.7 V μm^-1的电场下，MAPbI₃显示出大的压缩应变1％，相当于机械能密度高达0.74 J cm^-3，这是目前电致伸缩材料中最高值。

图1 MAPbI₃单晶的电致伸缩响应

压缩应变测试：

研究人员首先通过AFM观察到在MAPbI₃单晶中由电场诱导的高应变，并在小于10 V μm^-1的场下测量，MAPbI₃单晶厚度为40 μm。在3.7 V μm^-1的电场下，MAPbI₃显示出大的压缩应变1％。

表1 弛豫铁电陶瓷，电致伸缩聚合物和MAPbI₃的电致伸缩响应比较

伸缩应变测试：

对于MAPbI₃单晶，计算的电致伸缩系数为-730 nm²V^-2，这是所有报道的电致伸缩材料中最大的。虽然电致伸缩应变MAPbI₃仅为1％，其电致伸缩系数较大，相对较大的杨氏模量为14.8 GPa。这就使MAPbI₃单晶的机械能量密度高达0.74 J cm^-3，这是目前的最高值。这种机械能密度与人体肌肉相当，也与典型的执行器材料相当（0.016~1.0 J cm^-3）。

进一步，研究人员采用激光干涉法直接测量MAPbI₃晶体的宏观应变，以验证偏压下钙钛矿晶体中的应变。值得指出的是，压电效应和电致伸缩都可以引起机电响应，压电性影响、热膨胀、本征电致伸缩效、麦克斯韦应力、铁电性、局部极化波动和MA⁺有序性等因素均被排除对该机电响应的影响。

图2 MAPbI₃单晶的电致伸缩响应的宏观测量

AFM和DFT计算： 

为了评估电致伸缩的应变稳定性和响应时间对于MAPbI₃单晶，我们采用AFM进行表征。电致伸缩应变立即出现,并保持60 s不变，而且在1200个致动循环期间，电致伸缩性能展现出高度可重复性。因此，MAPbI₃单晶具有稳定的电致伸缩响应。DFT计算结果表明MAPbI₃的电致伸缩起源是，在偏压下，额外缺陷会引起的MAPbI₃的晶格变形。

图3 电致伸缩的稳定性和响应时间尺度

总之，钙钛矿大的电致伸缩效应具有巨大的研究潜力，例如：执行器、声纳和微机电系统等。

参考文献：

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