本研究由苏州大学材料与化学化工学部的王亮、谷林峰、吴彬、罗鹏，以及纺织与服装工程学院的陈丹、江海涛、郑敏等学者共同完成。王亮和陈丹为共同第一作者，王作山和卓明鹏为共同通讯作者。该成果于2026年7月7日被接收，发表在《Advanced Materials》期刊上。
有机铁电材料因其应力与感应电荷之间的线性关系，在能量收集器、智能传感器、精密驱动等领域展现出巨大潜力。传统的聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride, PVDF）及其共聚物虽然满足现代便携式和可穿戴电子设备的基本要求，但由于其结晶度低且易形成非β相，导致压电系数（d33）较低，机电转换效率不尽人意。为提高其性能，通常需要添加氧化锌、钛酸钡或碳纳米管等添加剂，但这些方法往往带来成本高和稳定性差的问题。
电荷转移（charge-transfer, CT）共晶由电子供体（donor, D）和受体（acceptor, A）自组装而成，在D-A界面具有显著的电子离域特性，展现出双极性电荷传输、光热转换等独特光电性质。更重要的是，CT相互作用诱导的交替堆叠结构可形成极性DA二聚体，进而经历对称性破缺，产生所需的压电性质。然而，这类压电共晶因难以规模化制备且缺乏可编程衬底，其光电应用发展受限。静电纺丝技术可精准控制微/纳米结构，被认为是将光电材料集成到智能纤维中的理想平台。
本研究旨在设计一种具有铁电性的有机CT共晶，将其与PVDF纳米纤维结合，通过简便的静电纺丝工艺实现共晶的定位自组装，制备出大面积压电纳米纤维膜，并探索其在柔性压电发电和自供能可穿戴传感器中的应用。
研究人员选用7H-二苯并[c,g]咔唑（7H-dibenzo[c,g]carbazole, DBCz）作为电子供体，7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷（7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, TCNQ）作为电子受体，通过简便的溶液自组装法制备DBCz-TCNQ（DT）共晶。获得的单晶呈黑色金属光泽，与白色片状的DBCz晶体和黄色层状的TCNQ晶体明显不同，证实了共晶的成功形成。
X射线衍射分析表明，该共晶属于单斜晶系，具有Pc空间群的非中心对称排列。晶胞参数为a = 11.1150 Å，b = 7.4032 Å，c = 41.998 Å，β = 93.750°。DBCz与TCNQ之间的距离为3.334 Å，有利于形成强烈的CT相互作用。此外，N─H···N氢键（距离2.104 Å）和C─H···N键（距离2.624 Å）也促进了电荷转移过程。这些分子间相互作用不仅有助于自组装，还促进了从DBCz到TCNQ的高效电荷转移。
扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和光学显微镜观察显示，DT共晶呈现典型的一维纳米线形态，表面光滑，平均直径约为2微米，与模拟的生长形态一致。选区电子衍射（SAED）图案中的清晰衍射点证实了DT纳米线的高结晶度。根据SAED分析，其生长方向为[010]方向，晶面间距为0.22 nm。
傅里叶变换红外光谱和拉曼光谱进一步证实了有效的CT相互作用：DBCz的N─H伸缩振动从3429 cm⁻¹红移至3330 cm⁻¹；TCNQ的C≡N伸缩振动从2227 cm⁻¹红移至2221 cm⁻¹。电子自旋共振（ESR）光谱显示DT纳米线具有明显的信号，g因子为2.0053，接近自由电子的2.0032，强有力地证明了从DBCz到TCNQ的有效电荷转移过程。开尔文探针力显微镜（KPFM）测量显示DT纳米线的平均表面电势约为82 mV，表明其具有自发极化特性。
介电谱测量显示，DT纳米线在1 Hz频率下的介电常数为12.35。极化-电场（P-E）滞回线测试证实了其铁电性质。在约900 V/cm的电场和100 Hz频率下，DT共晶呈现出低矫顽场（约500 V/cm），饱和极化强度和剩余极化强度分别为0.65 μC/cm²和0.35 μC/cm²。压电力显微镜（PFM）测量获得有效压电系数d33约为0.6744 nm/V，同时振幅蝴蝶曲线和相位滞后回线进一步证实了铁电畴的存在。
研究人员将DBCz和TCNQ以1：1质量比直接添加到PVDF-六氟丙烯（PVDF-HFP）溶液中制备静电纺丝溶液。具体工艺为：5克PVDF-HFP颗粒溶于20克有机溶剂混合物（70% N,N-二甲基甲酰胺和30%丙酮），在20 kV电压和0.05 mL/min的流速下进行静电纺丝，持续5小时，获得所需纳米纤维膜。
SEM图像显示纤维直径约为1微米，表面光滑平整，边界清晰。掺杂DT共晶后，纤维表面可观察到大量形状良好的一维晶体结构，同时纤维网络的完整性得以保持。TEM分析表明，掺杂后纤维内部存在明显的共晶区域，且共晶生长方向与纤维方向一致。AFM测量表明纤维表面粗糙度约为19.7 nm。接触角测试显示纳米纤维膜具有约130°的平均接触角，对去离子水和人工汗液均表现出疏水性。
KPFM测试显示，纯PVDF纳米纤维的表面电势为170 mV，而DT-PVDF纳米纤维的表面电势降至-22 mV，这意味着电荷能更快地被传导至外部电路，产生更高的电荷输出。PFM测试进一步确认DT-PVDF纳米纤维在室温以上具备铁电/压电特性。动态力学测试表明，掺入5% DT纳米线后，纳米纤维膜的极限拉伸强度从5.74 MPa提高到10.19 MPa，模量从3.80 MPa提高到8.61 MPa。热重分析（TGA）显示DT共晶在200至360°C之间分解，DT-PVDF膜在该温度范围内出现相应质量损失，证实了共晶在纤维膜中的成功整合。
研究人员将厚度约50微米的DT-PVDF纳米纤维膜集成到单电极压电器件中，通过印刷约50微米厚的银电极层，并用柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）封装。在50 N、1 Hz的重复压缩冲击测试中，随着DT纳米线质量掺杂比从0%提高到20%，开路电压输出从15 V提升至最大值（在15%掺杂比时达到36 V）。当膜厚从50微米增加到150微米时，电压输出从23.5 V提高到44.7 V。
在2至120 N压力范围内，器件表现出近乎线性的响应，压力灵敏度为0.306 V/N。响应时间和恢复时间分别为10.5 ms和12.6 ms。在1至5 Hz的不同加载频率下，输出电压和电流几乎保持不变，表明电输出取决于压力而非频率。在5000次循环测试中，输出电压在最初20个循环后趋于稳定，展示了优异的工作寿命。
在人体生理信号监测应用中，该自供能传感器可实时监测运动后的呼吸模式、通过手指敲击传递摩尔斯电码信息、监测不同速度跑步时的脚部压力、以及检测手指、肘部和膝关节的弯曲角度，展现出在智能可穿戴健康设备中的广泛适用性。
本研究通过简便的自组装方法成功制备了DBCz-TCNQ（DT）有机压电共晶。由于Pc空间群的非对称晶体结构，正负电荷中心不重合，产生了电偶极矩和非零的电极化强度。DT共晶在室温下表现出分子铁电性，具有低矫顽场，饱和/剩余极化强度分别为0.65⁄0.35 μC/cm²。通过静电纺丝技术将DT共晶定点自组装到PVDF基体中，制备出大面积压电纳米纤维膜，压电系数（d33）达到0.6744 nm/V，拉伸强度（σ）/模量（E）为10.19⁄8.61 MPa。
基于该纤维膜制备的压电纳米发电机在200 N压力下可产生60 V的输出电压，在10000次循环后仍保持稳定的电压输出（从100%降至80.59%），压力灵敏度达0.3060 V/N。通过提高DT共晶的质量掺杂比，开路电压输出较纯PVDF纤维膜提升了2.4倍。
本研究的科学价值在于提出了一种将有机铁电CT共晶与聚合物基质结合的通用策略，通过定位自组装实现了共晶在纳米纤维中的均匀分散和可控生长，为有机压电材料的设计和应用提供了新思路。应用价值体现在成功开发了柔性、自供能的可穿戴传感器，可精确检测手指弯曲、呼吸等人体生理信号，在人机交互、物联网和可穿戴健康监测等领域具有广阔的应用前景。