研究背景
不同于传统刚性压电陶瓷与压电晶体，柔性的分子压电材料是一类依托其晶体非中心对称结构和分子电偶极子实现“力–电”能量转换的功能材料，在自供能传感、可穿戴电子与微型化能量采集方面具有广阔的应用前景。近年来，分子铁电体因其晶体结构可调性、轻质化以及机械柔性等优势受到广泛关注。但其相对弱的压电与机电耦合性能，在实现器件应用化方面仍面着临巨大挑战，尤其是如何在保持分子铁电体系可加工性的同时，实现可扩展、可复制和机电耦合性能增强的有效策略。
为突破上述瓶颈，董蜀湘团队围绕柔性压电材料的“机–电耦合强化”科学问题，提出了多种新思想与工程策略，持续开展系统性研究并取得一系列进展：例如，基于 3D 打印多层β 相PVDF-TrFE 共聚物，设计了“rugby ball”结构机械能量采集器；利用其flextensional 结构力放大效应显著提升了压电共聚物的有效压电响应并实现高功率密度输出（Energy Environ. Sci., 2020, 13, 152）；提出机械取向应力场诱导β 相 PVDF-TrFE共聚物新方法，无需高电压极化便获得可观的压电效应（Nano Energy, 2024, 127, 109734）；提出界面/多机制协同策略，调控和强化聚合物压电体系的能量密度 (Materials Today, 2023.08.023)。
这些工作共同指向一个核心方向：通过结构与界面工程来提升机-电耦合效应，为柔性压电材料设计提供了新的思路，特别是为分子压电体系的器件化提供了方法学基础。
图1展示了以 ImClO4为代表的 molecule-based piezoelectric。单晶ImClO4分子的压电系数可高达41 pC/N，但在多晶状态下只有10 pC/N。通过引入Au电极并构筑多层纳米网络结构，产生界面偶极效应和实现对称空间电荷区的协同极化增强；进一步形成内建电场并促进分子电偶极子有序取向，从而显著提升压电与机-电耦合性能。实验表明，层状多晶ImClO4分子铁电体的压电系数d33从10 pC/N 提升至 151 pC/N。在周期压力（100 kPa）下，产生了稳定的电压 Voc输出。
研究内容
近日，北京大学、深圳大学与西安交通大学等单位学者在科技部及其他专项项目支持下联合攻关，围绕 ImClO4分子压电体系的研究，提出了“层状结构构筑 + 界面偶极子增强”的新策略，发展出具有高压电、机电耦合增强的分子基压电体（molecule-based layered piezoelectrics（MLP）。研究采用 pressure-casting 工程化方法制备ImClO4薄膜，并引入层状 Au 金属电极纳米薄膜网络，构建“金属电极–分子晶体”层状异质结构；层状分子晶体-纳米电极网络复合结构，在极化过程中产生了显著的界面极化效应，从而实现压电与机-电耦合性能的同步提升。
进一步的压电性能表征显示，制备的多晶层状分子压电体MLP，其d33值可从10 pC/N提升至 151 pC·N-1，显著高于单层ImClO4多晶薄膜水平。进一步制备了集成的微型压电能量采集器，在100 kPa周期按压下，其开路输出电压Voc高达143.3 V、短路电流Isc可达 2.18 μA，并表现出良好的输出一致性与可重复性。 在可靠性方面，器件在 3,600次连续工作循环后，其输出电压Voc几乎不变，反映出结构与界面构筑对器件耐久性的支撑作用。
机理分析层面，研究者结合COMSOL 仿真与实验结果分析指出：Au / ImClO4界面可诱导界面偶极子与空间电荷相关效应，形成局域内建电场并促进分子电偶极子取向有序化；多层层状结构使界面极化沿厚度方向上累积，从而强化机-电耦合效应，并可导致输出电压 Voc随层数增加呈现超常规增强趋势。该机制为分子压电材料从“本征提升”走向“结构–界面协同增强”提供了清晰的物理图像与可验证路线。
研究意义
分子压电体系普遍存在“高压电性能难以工程化复制”的共性问题。这项研究提出并验证了以界面偶极子效应为核心的机-电耦合增强策略：通过构筑 Au/ ImClO4多界面网络层状结构，在不显著增加材料体系复杂度的前提下，实现压电系数与器件输出性能的显著提升，并给出可扩展的制备与集成路径。该成果不仅为高性能、可重复的分子压电体（MLP）能量采集与自供能传感提供了新的材料结构-界面协同增强范式，也为后续围绕空间电荷区与分子偶极子取向极化的直接表征、器件设计，以及应用等方面奠定了研究基础。
该工作由董蜀湘团队与合作者共同完成。该成果以 “Enhanced electromechanical coupling via interface-dipole effect in molecule-based layered piezoelectrics” 为题，发表于 《Cell Reports Physical Science》 期刊（2026）。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2025.103036
深圳大学博士后王宾（现河南大学助理教授）为第一作者和通讯作者；北京大学青年教师袁小婷、中科院半导体所慈鹏弘副研究员，以及北京大学董蜀湘教授为论文通讯作者；合作者还包括西安交通大学常江磊助理教授等。研究工作获得国家重点研发计划、国家自然科学青年基金等项目资助。