電致伸縮效應是鐵電聚合物壓電效應的起源，即鐵電聚合物的壓電效應是剩余極化偏置情況下的電致伸縮效應。但是一直以來人們卻不知道如何去利用電致伸縮效應來提高鐵電聚合物的壓電性能。而這其中的關鍵原因在于人們對聚合物壓電效應的結構起源仍然存在著爭議，爭議的關鍵點在是半結晶聚合物中的哪個組分貢獻了其壓電性質(zhì)？只有對聚合物壓電效應的結構起源有深入的理解，才能知道如何利用電致伸縮效應來進一步提高鐵電聚合物的壓電性能。
這項工作研究了一系列VDF含量為50至65 mol.%的P(VDF-TrFE)無規(guī)共聚物。所有的樣品都經(jīng)過了淬火 (Q)、拉伸 (S)、130 °C 退火 (A) 和100 MV/m 的單向極化 (P) 的加工工藝。壓電性能研究顯示，室溫下，在P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品中實現(xiàn)了最佳的壓電性能（d31= 57.6±2.4 pm/V），并且隨著VDF含量的增加，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP和P(VDF-TrFE) 65/35QSAP樣品的壓電系數(shù)d31分別下降到30.1±1.7 pm/V和9.0±3.3 pm/V。同步輻射X-光衍射研究結果表明：一種位于取向非晶相內(nèi)的弛豫次級晶體（如圖1a的微觀結構示意圖所示）是P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品高壓電性能的原因。位于取向非晶相內(nèi)的弛豫次級晶體提高了樣品的介電常數(shù)，使剩余極化偏置的電致伸縮效應（壓電效應）得到顯著增強。
圖1. (a) P(VDF-TrFE) 52/48QSAP樣品的微觀結構示意圖；(b) P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品的壓電系數(shù)隨溫度的變化。圖片根據(jù)原文重新組合。
在這個基礎上，他們進一步研究了P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品壓電性能隨溫度的變化，如圖1b所示。在55°C時，P(VDF-TrFE) 55/45QSAP樣品的壓電系數(shù)d31高達77±5 pm/V，是室溫時的兩倍多。而此時的剩余極化強度只有室溫時的1/3，這說明了對壓電性能來說，偶極的運動能力比剩余極化更重要。
這一成果近期發(fā)表在Matter上 (Matter. 2021, DOI: 10.1016/j.matt.2021.09.008)。論文的第一作者為華南理工大學博士生朱治文，共同第一作者為美國凱斯西儲大學博士生芮冠淳，通訊作者為華南理工大學何和智教授，凱斯西儲大學祝磊教授和Philip L. Taylor教授。
論文鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00453-7
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