Nature新发现突破传统维度束缚，使这种效应暴增

材料人编辑小单 2年前 (2022-08-05) 1856浏览

一、【导读】

热释电效应是自发极化随温度波动的响应，广泛用于热成像、传感器、纳米发电机、能量收集器、制氢和核聚变等领域。然而，当自支撑热释电材料接近二维结晶极限时，热释电的行为方式在很大程度上仍然未知。

最近对三维（3D）和二维（2D）材料的理论计算表明，电子-声子重整化对热释电的贡献可能并非无足重轻。一般而言，在热力学的限制下，2D晶体并不存在长程有序，然而，石墨烯与某些单层氧化物晶体则违背了这一定律。不过，一般而言，当材料逐渐趋向2D时，热力学有关的长程有序（如，声子）变得不太稳定，这必然会影响材料的性质。材料维度影响长程有序的理论出发点主要基于单元素，实际的晶体其实非常复杂，不同的化学键有可能会影响热释电材料的维度效应。

二、【成果掠影】

近日，美国伦斯勒理工学院的蒋杰、石建与石云峰等研究者展示了三种材料（范德华材料In2Se3、准范德华材料CsBiNb2O7（CBNO）和由离子/共价键连接的ZnO）的热释电效应的维度特性。通过测量周期性红外激光脉冲激励下不同厚度的材料的热释电光响应信号，他们测量并比较了具有不同厚度的微米片层的热释电系数。结果显示，对于这三种材料，当材料的厚度减小时，热释电系数都有所增加。其中，由离子键/共价键连接的ZnO材料的热释电系数的变化最为明显。采用分子动力学模拟、拉曼光谱和同步辐射XRD证明了电子-声子重整化和热释电之间可能的关联。这一发现为超薄材料热释电的设计和高性能的传感和能量转换装置的开发提供了基础。研究成果以题为“Giant pyroelectricity in nanomembranes”发表在综合性期刊Nature上。

三、【核心创新点】

  • 材料越薄，热释电效应越明显
  • 材料化学键的不同将会影响热释电的维度效应
  • 电子-声子重整化和热释电效应有关

四、【数据概览】

  1. 微观机制分析

图1. 初级热释电和维度效应的微观机制示意图：a. dT/dt=0时的晶格中离子和电子云；b. dT/dt>0时电子-声子相互作用引起的电子态重整化；c. dT/dt>0时离子的非谐振势能曲线；d. 根据Hohenberg-Mermin-Wagner定理，随着晶体厚度的减少（从块体到薄片），晶格势能曲线和离子位移的示意图；e. 面外键强度随不同材料中键各向异性变化的示意图 © 2022 Springer Nature

  1. 纳米膜制造：

图2. 薄片/纳米薄膜的制备和表征 © 2022 Springer Nature

  1. 维度对热释电的影响

图3. In2Se3、CBNO和ZnO的热释电效应和维度效应  © 2022 Springer Nature

  1. 晶格动力学

图4. CBNO中的Debye-Waller因子 © 2022 Springer Nature

五、【成果启示】

对于范德华材料In2Se3、准范德华材料CsBiNb2O7（CBNO）和由离子键/共价键连接的材料ZnO，当材料的厚度减小时，热释电系数都有所增加。在这三种材料中，ZnO热释电系数变化最明显，表现出最大的两个数量级以上的增强。说明了沿面外方向具有化学键的材料表现出最大的维度效应。

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-022-04850-7

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