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蘇州納米所趙志剛團隊Nano Energy:單原子壓電應用取得新進展

  壓電現象源于材料的非中心對稱結構,這種結構依賴性嚴重限制了壓電材料種類。理論上,基于表面修飾的對稱性破缺可用于增強材料壓電性能。例如,密度泛函理論(DFT)計算結果表明,中心對稱石墨烯可通過特定原子(F、H)的選擇性吸附獲得壓電響應,此類研究大多局限于理論模型,實驗手段難以實現。近年來,單原子在催化領域受到了廣泛關注,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結構,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對稱性。 

  受此啟發,中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所趙志剛團隊首次將單原子材料應用于壓電領域?;?/font>DFT仿真確定目標單原子,系統比較了3d金屬Ni、Cr,4d金屬Mo5d金屬W、Ir、Pt在六方氮化硼(h-BN)載體上的Bader電荷與鍵長信息,發現單原子W負載的h-BN體系具有較好的穩定性較高的極化率。 

    1 DFT計算指導單原子材料篩選 

  基于以上分析,研究團隊選用羰基鎢W(CO)6作為前驅體,通過簡單的水熱法首次實現W原子在惰性h-BN納米片的表面負載,并通過球差電鏡和X射線近邊吸收譜證實了W的原子級分散。重元素W較大的原子半徑特殊的價層電子結構,能夠打破載體材料的局域對稱性使電子重新分布,通過引入極化改變其壓電性能。實驗表明,W單原子負載量相當低(0.34 at%)的情況下,h-BN納米片的壓電響應即可獲得12倍提升;壓電信號強度與W負載量之間有著線性依賴關系。實驗證實,此策略適用于多種二維基底材料。由單原子引入對稱性破缺來改善材料的壓電響應,為壓電材料的設計提供新思路,同時展了單原子的應用領域。 

    2 單原子W負載于h-BN納米片的微觀形貌表征 

    3 單原子壓電材料的壓電響應性能 

   相關工作以Symmetry-breaking triggered by atomic tungsten for largely enhanced piezoelectric response in hexagonal boron nitride為題發表于Nano Energy,中科院蘇州納米所聯培碩士生張濤陽為論文第一作者,通訊作者是中科院蘇州納米所叢杉項目研究員,徐州工程學院鞏文斌副教授(共同通訊)負責文中的計算模擬內容。該工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中科院青促會、江西省自然科學基金等項目資助。 

  論文鏈接 


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