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《Recent Advances in Pyroelectric Materials and Applications》综述报告
作者及机构
本文由Ding Zhang、Heting Wu（中国科学院北京纳米能源与系统研究所）、Chris R. Bowen（英国巴斯大学机械工程学院）、Ya Yang（中国科学院大学纳米科学与技术学院/广西大学物理科学与技术学院）合作完成，发表于2021年的《Small》期刊（DOI: 10.1002/smll.202103960）。
主题与背景
本文系统综述了近20年热释电材料（pyroelectric materials）的研究进展与应用。热释电效应（pyroelectric effect）是极性电介质因温度波动引发自发极化变化的特性，属于压电材料的子类，仅存在于10种极性晶格点群中。随着全球对清洁能源和智能传感需求的增长，热释电材料在能量收集、环境监测、电化学等领域展现出巨大潜力。本文旨在总结热释电材料的分类、性能优化策略及前沿应用，并探讨未来挑战与机遇。
主要观点与论据
1. 热释电材料的基础特性与评价指标
热释电效应的核心是温度变化（ΔT/Δt≠0）诱导自发极化（spontaneous polarization, Ps）改变，产生表面电荷。与热电效应（ΔT/Δx≠0）不同，热释电效应无需空间温度梯度。文章提出三类关键性能指标（figure of merit, FOM）：
- 电流响应FOMi：与热释电系数（pc）成正比，与材料密度（ρ）和比热容（cp）成反比（公式：FOMi = pc / ρcp）。
- 电压响应FOMv：需低介电常数（εr）以减小电容损耗（公式：FOMv = pc / ε0εr）。
- 探测灵敏度FOMd：要求高pc和低介电损耗（tanδ）（公式：FOMd = pc / (ε0εr tanδ)^0.5）。
*支持数据*：以ZnO纳米线为例，其pc达1.2–1.5 nC cm⁻² K⁻¹，优于块体材料（0.94 nC cm⁻² K⁻¹），归因于沿c轴取向和低缺陷密度（图3e-h）。
2. 热释电材料的分类与性能优化
材料分为四类，每类通过特定策略提升性能：
- 单晶（如TGS、ZnO）：通过晶向调控（如<111>取向的Na0.5Bi0.5TiO3晶体pc提升300%）和掺杂（Mn掺杂PMN-PT单晶厚度从16 μm增至400 μm时pc提高16%）。
- 陶瓷（如BaTiO3、PZT）：采用元素取代（Zr⁴+掺杂使BNT-BZT陶瓷pc提升900%）和复合相设计（图4d-e）。
- 无机薄膜（如BiFeO3/PZT多层膜）：溶胶-凝胶法（sol-gel）制备的薄膜具有低热容和柔性优势，Si掺杂HfO₂薄膜通过ALD调控居里温度（图5d-f）。
- 聚合物及复合材料（如PVDF/CuO）：纳米填料（如5 wt% CuO）诱导β晶相形成，使PVDF的β相占比达90%，pc提升至3.73 μC cm⁻² K⁻¹（表2）。
3. 热释电材料的应用领域
- 能量收集：
- *热电器件*：PZT微线纳米发电机在3 K/s变温率下输出275 mV（图7a-b），PVDF基混合器件可同时收集热能与机械能（图8c-d）。
- *自供电传感*：BaTiO₃陶瓷阵列实现多通道温度/压力检测（灵敏度0.048 V/K，图9g-h）。
- 光探测与成像：
- ZnO/Si异质结近红外探测器响应电流达1.05 mA（图10a-c），BiFeO₃陶瓷通过光伏-热释电耦合使450 nm光探测灵敏度提升900%（图10i）。
- PVDF-TrFE共聚物薄膜用于红外热成像，吸收波段可调（图11a-c）。
- 电化学应用：
- *产氢*：黑磷（2D-BP）在15–65°C热循环中产氢速率0.54 mmol g⁻¹（图13b-c），Ba0.7Sr0.3TiO₃在甲醇辅助下产氢量提升62倍（图13e）。
- *染料降解*：NaNbO₃纳米材料通过热释电-压电协同催化，24次循环后罗丹明B（RhB）降解率达96%（图14a-c）。
论文价值与意义
1. 科学价值：系统梳理热释电材料的结构-性能关系，提出多尺度调控策略（如晶格掺杂、界面工程），为设计高性能材料提供理论框架。
2. 应用价值：涵盖能源（环境热能收集）、医疗（自供电传感）、环保（废水处理）等多领域，推动绿色技术发展。例如，PVDF基柔性器件可集成于可穿戴电子，而陶瓷薄膜适用于高温传感。
3. 前瞻性观点：指出未来需解决材料稳定性（如聚合物耐候性）、器件集成化（如微纳加工兼容性）及多场耦合机制（热-电-光协同）等挑战。
亮点
- 数据全面性：统计2000–2021年全球热释电领域论文，中国发文量居首（图1c），反映研究热度。
- 跨学科整合：将材料科学（如钙钛矿设计）、化学（催化产氢）与工程学（器件封装）结合，展示交叉创新潜力。
- 方法创新：如等离子体-热释电混合探测器（图10g）通过Au孔阵列增强红外响应700%，为新型光电器件设计提供范例。
此综述通过详实的实验数据和案例，为热释电材料的研发与应用绘制了清晰的技术路线图，对相关领域研究者具有重要参考价值。