【浙江日報】寧波材料所創(chuàng)制高彈性鐵電材料 電子產(chǎn)品也能變“Q彈”
本報記者 翁云騫 通訊員 高曉靜 張超梁
從碩大的臺式電腦到小巧可彎折的智能手機，數(shù)十年來，我們見證了電子產(chǎn)品不可思議的升級迭代。但是，制造柔軟且富有彈性的電子設(shè)備，卻一直是人類一個遙不可及的夢想。
情況很可能將會發(fā)生改變。8月4日，國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》刊載了中國科學(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊的論文。通過制備工藝的創(chuàng)新，該團隊在實驗室里成功生成了具有良好彈性的聚合物鐵電材料。這為未來開發(fā)柔軟有彈性的電子產(chǎn)品提供了可能。
“這個工作是本領(lǐng)域的一個里程碑?！薄犊茖W(xué)》期刊審稿人評價道。
神奇的鐵電材料
鐵電材料不是導(dǎo)體，也不是半導(dǎo)體，而是一種絕緣性的功能材料。
鐵電材料表面自帶電荷。沒有外加電場時，這些電荷處于無序狀態(tài)。一旦有電場作用，這些電荷就會重新排列，且排列方式會隨著電場的變化而變化。此外，鐵電材料還有“記憶力”，它們能夠“記住”之前的電場狀態(tài)。
“可以把鐵電材料看成一個大盒子，里頭存放著電荷，人們可以通過電場來控制它，實現(xiàn)特定功能?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅袊茖W(xué)院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊碩士生高亮介紹。
獨特的性質(zhì)，賦予鐵電材料出色的傳感、存儲和控制能力。隨著薄膜制備等技術(shù)的發(fā)展，鐵電材料被廣泛應(yīng)用在計算機存儲器、高精度電機、超敏感傳感器和聲納設(shè)備等產(chǎn)品中，也是手機、平板等消費類電子必不可少的材料之一。觸摸屏上一般就會用到鐵電層，用來作為指壓信號的傳感介質(zhì)。
遺憾的是，作為人造材料，鐵電材料的缺點是又硬又脆，幾乎不具備彈性?！拌F電材料的鐵電性來源于材料中的結(jié)晶部分，而晶體本身幾乎是沒彈性的?！备吡琳f。
材料沒有彈性，就意味著電子設(shè)備也很難有彈性。
這些年，柔性可穿戴器件方興未艾，但目前人類只能將材料做到可簡單拉伸、彎折，距離有彈性十分遙遠(yuǎn)。這大大限制了可穿戴器件的應(yīng)用場景拓展。
要研制出真正柔軟有彈性的電子器件，只能在材料的改性上下功夫。
記者了解到，目前，圍繞金屬和半導(dǎo)體材料的彈性化已有不少進展，可作為絕緣性功能材料的鐵電材料，在彈性化上卻舉步維艱。
“因為獨特的物理性質(zhì)，業(yè)界普遍認(rèn)為，鐵電材料沒有可能‘彈性化’，我們的研究從高分子聚合物切入，打破了很多人的固有認(rèn)知，可以說是開辟了一個新學(xué)科?！敝袊茖W(xué)院寧波材料所研究員、博士生導(dǎo)師胡本林說。
另辟蹊徑織“漁網(wǎng)”
既然傳統(tǒng)路線難實現(xiàn)鐵電材料改性，團隊另辟蹊徑，他們用一種類似漁網(wǎng)編織的方法，改變了鐵電晶體的結(jié)構(gòu)，從而賦予其較好的回彈性。
“簡單來說，就是用柔軟鏈狀聚合物，讓鐵電晶體周邊非晶的纏繞部分交聯(lián)起來，相互交織形成具有彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)?！备吡两忉尩? 就像一把麻繩，如果隨意放置，那稍微一碰就將散架，而通過一定手段交聯(lián)在一起，就能成為一張柔軟有彈性的網(wǎng)。
漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)松散地將鐵電晶體連接在一起，在外力作用時，可產(chǎn)生可逆的形變來吸收外力，避免外力對結(jié)晶部分的破壞，進而使材料在一定拉伸范圍內(nèi)依舊能夠保持穩(wěn)定的鐵電性。而在外力撤銷時，這種彈性的漁網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)又能夠回復(fù)至初始狀態(tài)。
看似不復(fù)雜的制備方案，在具體操作層面卻困難重重。
高亮告訴記者，最難的是交聯(lián)劑的劑量控制。團隊采用的是一種叫做聚氧化乙烯二胺的有機高分子材料作為交聯(lián)劑，相當(dāng)于連接麻繩的膠水?！敖宦?lián)劑用得太少，粘接點少，彈性差；交聯(lián)劑用得太多，粘接點太多，麻繩相互間捆得太牢，難以滑動，彈性也很差。因此，交聯(lián)劑的用量必須找到一個平衡?！?/font>
此外，表征也是難題。在制得的材料中，每一千個原子里只有不到兩個原子處于粘接點。這種超低的原子濃度為精確表征交聯(lián)帶來了極大的難度，遠(yuǎn)超出了普通實驗室測試設(shè)備的檢測極限。最后，研究團隊在同步輻射裝置上才完成了相關(guān)表征。
這種被稱為“精確的微交聯(lián)法”的制備方法，為鐵電材料插上了一雙彈性化的“翅膀”。
可以想見，用彈性鐵電材料做成的器件將更加“隨和”，并具有更高的測量精度、更好的穿戴舒適性，為智慧醫(yī)療、智能可穿戴等領(lǐng)域創(chuàng)造更廣闊的想象空間。
“我們正與相關(guān)團隊對接合作，希望依托在彈性鐵電方面的研究，在彈性傳感、彈性驅(qū)動等方面做一些前瞻探索。相信這個過程不會太久遠(yuǎn)?！焙玖终f。
（原文發(fā)布于2023年8月11日《浙江日報》第8版）
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