湖北大学顾豪爽教授团队在无铅压电纳米材料与器件领域取得新进展

近日,湖北大学顾豪爽教授团队 在无铅压电微纳传感器件领域的研究取得新进展, 以“Ultrahigh Piezoelectric Coefficients of Li-doped (K,Na)NbO3 Nanorod Arrays with Manipulated O-T Phase Boundary: Towards Energy Harvesting and Self-powered Human Movement Monitoring” (《正交-四方相界调控锂掺杂铌酸钾钠纳米棒阵列的超高压电常数:面向能量收集与自供电人体运动监测》)为题,发表于国际纳米能源领域著名期刊Nano Energy(www.maishuo.net)。

压电材料可实现机械能与电能的互相转换,已被广泛应用于我们的日常生活中。近年来,具有类悬臂梁结构的一维压电纳米材料在微能量收集和智能传感领域表现出极高的潜在应用价值。尽管PZT和PMN-PT等铅基一维压电纳米材料具有极高的压电常数和能量转换效率,但有毒的铅元素制约了此类高性能压电纳米材料在可穿戴和植入式器件等诸多领域的实际应用。开发高性能无铅压电一维纳米材料,始终是压电纳米材料领域研究人员关注的热点。铌酸钾钠(KNN)基无铅压电纳米材料具有优异的压电性能和良好的生物相容性,被认为是最有前景的无铅压电材料之一。但KNN基无铅压电纳米材料的压电性能与铅基材料相比仍有较大差距,如何提升材料压电常数是该领域亟待解决的关键问题。

本研究围绕A位阳离子掺杂途径在KNN单晶纳米棒阵列中构建室温正交-四方相界,结合掺杂改性引起的轨道杂化和纳米棒生长过程伴随的应力释放,取得了该体系压电纳米棒在压电常数上的突破,成功生长出平均 d 33 高达554 pm/V、峰值 d 33 达到814 pm/V的高性能无铅压电纳米材料。 基于材料高灵敏度的能量收集特性,开发了可监测人体关节运动等运动状态的自供电可穿戴传感原型器件,在智能运动健康监测等领域具有广阔的应用前景。

图1 Li掺杂铌酸钾钠无铅压电纳米阵列的自供电人体运动监测性能

顾豪爽教授团队长期致力于低维纳米材料及其能量转换和传感器件研究,在ACS Nano、Nano Energy和Sensor and Actuators B等国际权威期刊上发表系列高水平论文,先后承担国家自然科学基金重大研究计划培育项目、面上项目和科技部863计划课题等研究课题。2021年以来,课题组成员在热电、光伏能量转换器件等领域取得一系列重要进展,相关成果以第一作者单位发表于Journal of Materials Chemistry A和Journal of Energy Chemistry等高水平国际期刊。该工作是课题组在压电能量转换领域取得的又一突破,论文第一作者为物电学院2018级博士生姜蕾,团队成员王钊教授和合作者新加坡国立大学John Wang教授为共同通讯作者。

来源:湖北大学

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106072

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