【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》以在線全文Research Article形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院和仿生界面材料科學(xué)全國重點(diǎn)實驗室劉明杰教授、李景教授團(tuán)隊與材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊在柔性磁電材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展：《Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing》。該研究通過界面共晶策略成功制備了一種高性能聚合物-無機(jī)納米復(fù)合薄膜，為柔性磁電材料的設(shè)計與應(yīng)用開辟了新路徑。研究團(tuán)隊通過對鐵磁性二硒化釩(VSe?)單層表面進(jìn)行重氮化修飾，從而在鐵磁性納米片與鐵電性高分子聚偏二氟乙烯(PVDF)之間構(gòu)建了亞分子級平整的界面結(jié)構(gòu)。這種高度結(jié)晶的復(fù)合界面有效抑制了能量耗散并提高了界面能量傳遞效率，最終制得的復(fù)合薄膜展現(xiàn)出卓越的磁電性能——磁容系數(shù)高達(dá)23.6%，且具備超快磁電響應(yīng)速度(1 ms-1)。值得關(guān)注的是，該器件實現(xiàn)了與熱電器件的交叉集成，所制備的集成器件展現(xiàn)出長時穩(wěn)定的信號輸出特性，為小型化、多功能化可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新發(fā)展提供了全新設(shè)計策略。博士生何彬彬為第一作者，劉明杰教授，趙立東教授，李景教授為通訊作者，北京航空航天大學(xué)為第一單位。
 

　　在科技高速發(fā)展的當(dāng)下，材料科學(xué)作為技術(shù)基石，持續(xù)引領(lǐng)創(chuàng)新方向。隨著電子設(shè)備向柔性化、可穿戴化與智能化加速演進(jìn)，兼具磁性與電性耦合特性的磁電材料，憑借“磁-電”雙向轉(zhuǎn)換的獨(dú)特優(yōu)勢，成為研究焦點(diǎn)。其磁容效應(yīng)(電容隨磁場變化)因低功耗、小型化潛力，在器件集成領(lǐng)域備受關(guān)注。而力-磁-電多場耦合特性，更有利于其集成于航天器中，實時監(jiān)測飛行器姿態(tài)調(diào)整時的磁場擾動、機(jī)械應(yīng)力分布及微小形變，為故障預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐；其在外加磁場下的形變特性也可用于開發(fā)微型姿態(tài)調(diào)整執(zhí)行器或可變形天線，提升任務(wù)靈活性。此外，磁電材料也在信息存儲、能量收集等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用價值。

 

　　相較于傳統(tǒng)霍爾傳感與磁阻傳感，磁電傳感通過電場與磁場的協(xié)同調(diào)控，具備更低的功耗與成本優(yōu)勢。然而，單相磁電材料受限于電子軌道填充的互斥效應(yīng)，磁電耦合系數(shù)普遍較低。近年來，為實現(xiàn)室溫下大且穩(wěn)定的磁電性能，研究者更傾向于將鐵電相與鐵磁相通過緊密界面結(jié)合構(gòu)建復(fù)合材料——其磁電耦合主要依賴應(yīng)變傳遞機(jī)制，因此微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與磁-電界面性質(zhì)成為關(guān)鍵。盡管科學(xué)家已通過材料設(shè)計、界面工程等手段著力提升磁電耦合性能，但現(xiàn)有材料多為剛性無機(jī)體系，難以滿足柔性可穿戴需求。若以鐵電高分子(如PVDF)為基質(zhì)，雖可提升柔性，卻面臨動態(tài)機(jī)械作用下聚合物鏈段運(yùn)動引發(fā)內(nèi)摩擦、能量耗散嚴(yán)重等問題，制備強(qiáng)磁電耦合的柔性復(fù)合材料仍是一項重大挑戰(zhàn)。
 

　　針對這一難題，本研究創(chuàng)新性地提出鐵磁無機(jī)單層與鐵電高分子的界面共晶策略，成功制備出高性能柔性磁電納米復(fù)合材料(圖1A)。具體而言，VSe?單層表面的官能團(tuán)可促進(jìn)其在聚合物基質(zhì)中的晶格松弛，進(jìn)而形成亞分子級平整界面，并誘導(dǎo)鐵電高分子PVDF有序取向為電活性β晶型。相較于傳統(tǒng)顆?；烹姀?fù)合材料，本研究制備的亞分子級平整界面層狀磁電材料具有兩大優(yōu)勢：一是PVDF中高含量、有序的β相晶型，二是低能耗散界面(圖1B)。通過重氮鹽修飾，鐵磁性VSe?單層表面形成了致密的官能團(tuán)(命名為VSe?-COOH)，有效解決了表面能引發(fā)的納米片褶皺與團(tuán)聚問題，實現(xiàn)了界面匹配的復(fù)合薄膜制備。VSe?-COOH上豐富的羧基通過氫鍵作用為極性β相PVDF提供了成核位點(diǎn)(圖1C)。納米片的均勻分散增大了界面比表面積，更有利于剪切流誘導(dǎo)取向。研究進(jìn)一步采用納米限域去浸潤法(包含吸附、取向、共晶過程，圖1D)制備薄膜，其高結(jié)晶度與高效能量傳遞特性顯著提升了磁電效應(yīng)與整體傳感性能。
 

　　圖1 高性能磁電薄膜的制備。(A)典型聚合物基鐵性材料的性能雷達(dá)圖對比。(B)傳統(tǒng)顆粒基磁電復(fù)合材料與層狀磁電復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)示意圖。(C)VSe2、重氮化修飾VSe2以及誘導(dǎo)PVDF的β相成核示意圖。(D)磁電薄膜的制備過程與機(jī)理示意圖。
 

　　為闡明磁電耦合機(jī)理，研究團(tuán)隊通過理論分析、模擬與定量實驗進(jìn)行了系統(tǒng)分析：鐵電相與鐵磁相的共晶界面是實現(xiàn)高效能量傳遞的關(guān)鍵(圖2A、B)。具體而言，在交變磁場作用下，鐵磁納米片會發(fā)生動態(tài)應(yīng)變伸縮，該應(yīng)變通過界面?zhèn)鬟f至鐵電相。當(dāng)納米片含量較低時，鐵電相結(jié)晶度不足，界面處存在大量可運(yùn)動的高分子鏈，鏈段運(yùn)動引發(fā)的內(nèi)摩擦?xí)纳C(jī)械能，削弱磁電耦合效率；而當(dāng)納米片含量達(dá)到臨界閾值時，界面共晶結(jié)構(gòu)形成，有序的界面能有效促進(jìn)應(yīng)變從鐵磁納米片向極性鐵電相的高效定向傳遞，大幅降低能量耗散，從而實現(xiàn)強(qiáng)磁電耦合效應(yīng)。基于上述磁電耦合機(jī)理，研究團(tuán)隊進(jìn)一步探究了該復(fù)合薄膜的磁電性能與應(yīng)用潛力。實驗結(jié)果表明，其響應(yīng)速度高達(dá)1ms-1，較傳統(tǒng)力傳感器快10倍(圖2C)。并且，該薄膜的磁容系數(shù)顯著優(yōu)于傳統(tǒng)磁電材料，展現(xiàn)出該材料的強(qiáng)磁電耦合性能(圖2D)。
 

　　圖2 納米復(fù)合薄膜的磁電耦合機(jī)理以及性能對比圖。(A)低結(jié)晶度和(B)高結(jié)晶度下磁電耦合過程的機(jī)理示意圖。(C)磁電傳感器的響應(yīng)速度對比圖。(D)磁電復(fù)合薄膜的磁容系數(shù)對比圖。
 

　　基于該薄膜優(yōu)異的磁電耦合特性，研究團(tuán)隊進(jìn)一步將其制備為可穿戴磁電傳感器。實驗表明，該傳感器具備柔性可穿戴特性(圖3A)，能夠?qū)崿F(xiàn)對環(huán)境磁場的實時監(jiān)測(圖3B)。當(dāng)與熱電冷卻模塊集成后(圖3C)，傳感器測量標(biāo)準(zhǔn)偏差由初始的0.05降低至0.02，穩(wěn)定性大幅提升。此外，基于熱電器件輔助的寬溫域測試(覆蓋室溫至人體體溫區(qū)間)結(jié)果表明，磁容系數(shù)在全溫程范圍內(nèi)保持高度穩(wěn)定(圖3D)，有力驗證了其在復(fù)雜環(huán)境場景下的可靠工作性能。
 

　　圖3 磁電傳感器的多功能應(yīng)用。(A)可穿戴磁容傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖及其(B)對生活中多種磁場的檢測結(jié)果。(C)在外加磁場下集成或不集成熱電冷卻器的電容值。(D)不同溫度下的磁容系數(shù)，插圖顯示了熱電冷卻器的均勻溫度分布情況。
 

　　綜上，研究人員通過界面共晶策略制備了一種具有超強(qiáng)磁電耦合性能的柔性聚合物-無機(jī)復(fù)合薄膜，該復(fù)合薄膜展現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性、機(jī)械性能和磁電性能。此外，實驗進(jìn)一步驗證了該薄膜在可穿戴磁電傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，其超快響應(yīng)特性、穩(wěn)定的磁電輸出、與熱電器件的集成設(shè)計，為小型化、多功能集成化可穿戴電子設(shè)備的開發(fā)提供了創(chuàng)新性解決方案，有望推動智能醫(yī)療監(jiān)測、人機(jī)交互等領(lǐng)域的器件革新。
 

　　該工作得到中國科學(xué)院江雷院士的指導(dǎo)。中國科學(xué)院化學(xué)研究所王棟研究員在微觀壓電測試方面給予了支持，北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院馮林教授在磁電測試方面提供了幫助，北京航空航天大學(xué)分析測試中心在實驗設(shè)施及技術(shù)方面給予了支持。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、騰訊科學(xué)探索獎等項目的資助。