壓電材料可以實現電能和機械能的相互轉換，在傳感器，執(zhí)行器和能量回收領域具有廣闊的應用前景。
目前，高性能壓電材料主要包括鋯酸鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷，鈮酸鎂鉛-鈦酸鉛弛豫鐵電單晶等，但這些材料均含有重金屬鉛。
因此，具有優(yōu)良性能和環(huán)境友好性的壓電材料的研究與開發(fā)是壓電領域的關鍵科學問題之一。
研究人員提出了一個新的想法，以獲得氫鍵鐵電體中的超高壓電系數。
這種壓電材料還具有環(huán)保（無鉛）和柔性的優(yōu)點，并有望在功率和熱電轉換領域中開辟新的機會。
最近，華中科技大學的研究團隊（博士生任陽陽和吳夢浩教授）和南京大學的劉俊明教授在《國家科學評論》（NSR）上發(fā)表了一篇研究論文，并提出了獲得高水平研究成果的想法。
電壓電系數。
這個想法非常簡單：根據Landau連續(xù)相變模型，如果很小的應變可以顯著改變鐵電居里溫度，那么從理論上講，在居里溫度附近，壓電系數可能趨于無限大。
根據上述想法，要在室溫下獲得該高壓電氣系數，需要滿足兩個條件：（1）居里溫度應在室溫附近； （2）居里溫度對應變敏感。
傳統(tǒng)壓電材料（例如BaTiO3和幾種功能性氧化物體系）的居里溫度遠高于室溫，并且在室溫下施加應變后的極化變化ΔP不足以滿足上述條件（下圖a） 。
許多氫鍵合鐵電材料的居里溫度為200-400K，有望滿足這兩個條件并成為理想的候選材料。
例如，有機鐵電體PHMDA和[H-55DMBP] [Hia]的居里溫度分別為363K和268K。
此外，氫鍵的機械性能使材料易于在外力作用下壓縮或拉伸，并且質子躍遷勢壘和居里溫度將隨應變而顯著變化。
此功能為調節(jié)帶來了極大的便利（下面的圖1b）。
傳統(tǒng)的鈣鈦礦鐵電體（a）和氫鍵鐵電體（b）的極化隨溫度在應變下變化。
結合第一性原理和蒙特卡洛模擬，該論文的作者揭示了2％的拉伸應變足以將某些氫鍵合鐵電體的質子傳遞勢壘和居里溫度提高兩倍。
這時，我們可以在一個方向上施加特定的應變，以將居里溫度精確地調節(jié)到室溫，然后只需要在另一個方向上施加較小的應變即可獲得較大的鐵電極化變化和超高壓。
（模型顯示在下面的圖a中）。
（A）固定y方向的應變并調整z方向以獲得高壓電氣系數。
（B）以PHMDA為例，在不同應變下，蒙特卡洛模擬了極化（Ps）隨溫度（T）的變化。
例如，在PHMDA中，可以在-y方向上施加2％的壓縮應變，以將居里溫度從363K調節(jié)到315K并將其固定。
此時，如果在-z方向上壓縮0.1％，則理論上可獲得的平均壓電系數將達到2058pC / N（如上圖b所示）。
如果在-z方向上施加較小的壓縮應變，則壓電系數值將進一步增加。
先前的實驗已經報道，當居里溫度接近時，SbSI的壓電系數會大大增加。
這種現象也可以通過本文提出的新機制來解釋。
從理論上講，本文提出的新型巨型壓電機制可用于大多數氫鍵合鐵電材料。
具有氫鍵的有機或無機鐵電材料種類繁多，為該機理的驗證和應用提供了廣闊的空間。
該機制可能成為開發(fā)高性能壓電材料的潛在方法。
