發布時間：2022年1月29日
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熱釋電材料是一種極性晶體，晶體中存在著自發極化。當溫度（T）變化時，自發極化強度（P）也會發生變化，從而在表面產生電荷。因此，熱釋電材料廣泛應用于熱傳感、熱成像、熱能收集等領域。常用的熱釋電材料大致有兩類，均為鐵電體，一類為無機氧化物（LiTaO3、PMN-PT等），另一類為有機-無機雜化材料（TGS及其衍生物）。其中前者有較大的熱釋電系數（p = dP/dT），意味著在溫度變化速率一定時，可以輸出更大的電流；相較而言，后者的熱釋電系數雖然不如前者，但介電常數（ε）更小，可以輸出更高的電壓。人們用Fv = p/εCv來衡量熱釋電材料的電壓輸出能力，其中Cv為體積比熱。高的Fv值對熱釋電器件靈敏度的提升非常關鍵，這也是TGS成為商用熱釋電材料的主要原因。
相較于全無機材料，有機-無機雜化材料TGS在熱釋電電壓輸出上的優異表現意味著全有機材料可能蘊藏著性能優勢。此外，全有機材料還具有輕質、柔軟和生物相容性等先天優勢，有望應用在可穿戴器件上。然而，目前已報道的全有機熱釋電材料有兩大致命缺陷：熱釋電系數太低或工作溫度低于室溫。如何將全有機材料的熱釋電性能潛力發揮出來，是一個材料領域的難題。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A02組博士生周均言、金士鋒副研究員和陳小龍研究員首次在全有機體系中發現高性能的熱釋電材料——金剛烷胺甲酸鹽（AF），測定了其晶體結構，并成功生長出晶體。AF的Fv值達到了TGS的194%。除此之外，AF的密度僅為1.21 g/cm3，略高于液態水，硬度只有0.46 GPa。
AF擁有大的熱釋電系數（170 μC/cm2），主要歸因于它會經歷二級鐵電-順電相變。室溫下，AF是鐵電體（空間群為P21），具有自發極化；溫度上升到327 K時，AF會轉變為順電相，空間群變為中心對稱的P21/m，自發極化消失。與大多數鐵電體不同，AF的相變是連續相變，即極化強度在較寬的溫區內連續變化到0。
結構分析表明，AF的熱釋電性主要來源于兩個方面的貢獻：溫度變化時金剛烷胺離子的轉動和甲酸根離子無序程度的變化。這兩種機制是傳統無機熱釋電材料不具備的。AF還展現出極罕見的負壓電性，與其正的熱膨脹特性相結合，進一步提高了熱釋電系數。并且，AF介電常數遠低于其他商用熱釋電材料，使AF擁有超高的電壓輸出能力。
AF擁有低密度、低硬度和低成本等優勢，其熱釋電性能在未來還有望通過斜切割、分子摻雜、分子修飾等手段進一步提高，具有廣闊的應用前景。相關成果已申請發明專利（2020115485890），并以“Discovery of amantadine formate: toward achieving ultrahigh pyroelectric performances in organics”為題，最近發表于The Innovation 3(2),100204 (2022)。The Innovation 是一本由青年科學家與Cell Press于2020年共同創辦的綜合性英文學術期刊：向科學界展示鼓舞人心的跨學科發現，鼓勵研究人員專注于科學的本質和自由探索的初心，目前已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed等數據庫收錄。
以上工作得到了中國科學院、國家重點研發計劃、國家自然科學基金委等的支持。
來源：中國科學院物理研究所官網 2022.1.29