Large piezoelectric response in a Jahn-Teller distorted molecular metal halide

压电 压电系数 电介质 材料科学 聚偏氟乙烯 极化(电化学) 雅恩-泰勒效应 光电子学 凝聚态物理 纳米技术 复合材料 离子 化学 物理 物理化学 聚合物 有机化学
作者
Sasa Wang,Asif Abdullah Khan,Sam Teale,Jian Xu,Darshan H. Parmar,Ruyan Zhao,Luke Grater,Peter Serles,Yu Zou,Tobin Filleter,Dwight S. Seferos,Dayan Ban,Edward H. Sargent
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-023-37471-3
摘要

Piezoelectric materials convert between mechanical and electrical energy and are a basis for self-powered electronics. Current piezoelectrics exhibit either large charge (d33) or voltage (g33) coefficients but not both simultaneously, and yet the maximum energy density for energy harvesting is determined by the transduction coefficient: d33*g33. In prior piezoelectrics, an increase in polarization usually accompanies a dramatic rise in the dielectric constant, resulting in trade off between d33 and g33. This recognition led us to a design concept: increase polarization through Jahn-Teller lattice distortion and reduce the dielectric constant using a highly confined 0D molecular architecture. With this in mind, we sought to insert a quasi-spherical cation into a Jahn-Teller distorted lattice, increasing the mechanical response for a large piezoelectric coefficient. We implemented this concept by developing EDABCO-CuCl4 (EDABCO = N-ethyl-1,4-diazoniabicyclo[2.2.2]octonium), a molecular piezoelectric with a d33 of 165 pm/V and g33 of ~2110 × 10-3 V m N-1, one that achieved thusly a combined transduction coefficient of 348 × 10-12 m3 J-1. This enables piezoelectric energy harvesting in EDABCO-CuCl4@PVDF (polyvinylidene fluoride) composite film with a peak power density of 43 µW/cm2 (at 50 kPa), the highest value reported for mechanical energy harvesters based on heavy-metal-free molecular piezoelectric.
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