现代物联网设备与可穿戴设备正越来越多地依靠能量收集技术为传感器及电子元件供电，摆脱了对笨重电池的依赖。能够将机械运动转化为电能的压电材料，是此类设备极具前景的解决方案。然而，目前性能最佳的压电材料普遍含有毒性成分，这成为了一大技术瓶颈。

以锆钛酸铅(PZT)为例，该材料具备较高的压电系数，但铅元素的重量占比约为 60%。铅作为一种有毒重金属，已被纳入全球多项法规的管控范畴。同样，弛豫铁电单晶(如铌镁酸铅 - 钛酸铅，即 PMN-PT)的压电响应性能更为优异，但其本质仍属于铅基陶瓷材料。

研究人员曾对钛酸钡(BaTiO₃)、铌酸钠(NaNbO₃)等无铅氧化物陶瓷展开研究，但这类材料的压电系数通常仅为 50-200 皮库仑 / 牛(pC/N)，且需要经过高温烧结工艺处理，最终形成脆性结构。工程师们陷入了两难抉择：性能强劲的压电材料多为有毒的刚性陶瓷，而安全柔性的备选材料，压电响应性能又大打折扣。

这一技术鸿沟，推动了对兼具高压电活性、机械柔性与低毒性的新型材料的探索。有机 - 无机复合压电材料应运而生，有望成为颠覆性的解决方案。其设计思路在于，利用有机组分赋予材料柔性与可调节性，同时依托无机组分实现强极化特性。

伯明翰大学、牛津大学与布里斯托大学的科研团队，就研发出了这样一种新型无铅复合材料，并提出了一套创新设计策略，有望重塑压电材料的发展格局。

研究团队的核心成果

该团队研发出一种有机 - 无机复合晶体材料，化学式为 **(TMIM)₃Bi₂I₉**，其中 TMIM 代表三甲基碘甲基铵。这种化合物属于卤化铋酸盐，由零维铋碘阴离子簇(Bi₂I₉)与有机阳离子平衡构成。值得关注的是，该材料以铋(Bi)替代了铅，充分利用了铋相对较低的毒性优势。

这种材料具备多样化的制备路径：既可以通过溶液法制备成薄膜，也能够从溶液中生长为单晶，甚至可借助机械化学法制成微晶粉末。这种灵活的加工特性，凸显了该材料易于制备的优势，与传统陶瓷材料动辄需要 1000℃高温烧结的工艺形成鲜明对比。

当该材料被加工为薄膜时，其面外压电系数 d₃₃ 达到 161.5 皮米 / 伏(pm/V)。这一数值创下了卤化铋酸盐材料的最高纪录，相较于该家族此前的复合压电材料，性能提升约 4 倍，与钛酸钡(BaTiO₃，d₃₃=191pm/V)等知名无机压电材料的性能相当。

这项研究的关键科学发现在于，(TMIM)₃Bi₂I₉材料会发生一种特殊的对称破缺相变，该过程同时融合了两种相变机制。研究人员借助同步辐射单晶 X 射线衍射(SCXRD)与固态核磁共振(NMR)光谱技术证实：当材料冷却至极性状态时，会同时呈现出有序 - 无序相变与位移型相变的特征。

尽管 (TMIM)₃Bi₂I₉材料本身已是一项显著突破，但更深远的意义在于其背后的设计框架。该研究证实，卤素键等分子层面的相互作用，可作为一种可调节的 “调控手段”，用于设计复合材料的功能特性。研究团队强调，这一策略适用于多种有机 - 无机复合压电材料体系。

该研究的重要价值

高性能无铅压电材料的问世，恰逢全球监管机构收紧电子设备有害物质管控的关键时期。尽管目前压电陶瓷暂不受欧盟《限制有害物质指令》(RoHS)的管控，但这一豁免政策将在 2027 年到期，届时多数应用场景都将被纳入管控范围。因此，传感器、执行器、医用超声换能器及其他压电设备制造商，正迫切寻求锆钛酸铅(PZT)的替代材料。

卤化铋酸盐材料 (TMIM)₃Bi₂I₉恰好能满足这一市场需求。该材料不含铅、镉等受限重金属，仅采用毒性相对较低的铋元素。通过摒弃有毒成分，这款材料顺应了环保型电子设备的发展趋势，能够帮助企业提前布局，使产品满足日益严苛的法规要求。

除了满足合规要求外，无毒压电材料对于部分特定市场同样至关重要。例如在医疗科技领域，植入式或可穿戴医疗设备绝对不能存在铅元素渗漏至人体的风险。性能可靠的铋基压电材料，为开发无电池心脏起搏器、生物力学能量收集器等可长期安全植入人体的设备开辟了新路径。

这款新型复合压电材料的另一大显著优势是易于量产。传统陶瓷基压电材料的制备流程繁琐，需要经过高温烧结等多道工序，不仅能耗与成本高昂，还难以与现代柔性制造工艺相兼容。相比之下，(TMIM)₃Bi₂I₉可在室温或近室温条件下通过溶液法制备。

此外，这款复合压电材料在低电压条件下仍具备高灵敏度，这一点对于仅依靠微弱环境运动进行能量收集的低功耗电子设备至关重要。161.5pm/V 的 d₃₃系数意味着，即便是微小的振动，也能使该材料产生相对可观的电荷或电压。

高灵敏度还意味着能量收集器的启动阈值更低。例如，拥有更高 d₃₃系数的压电元件，只需轻轻敲击，就能使电容器的充电电压超过二极管的导通压降，这对于电源管理具有重要意义。

从电子设计的角度来看，灵敏度约为 160 皮库仑 / 牛(pC/N)的薄膜压电材料，可使可穿戴贴片在低频弯折时产生伏特级的输出电压。若将该材料用作传感器，高灵敏度还能提升信号噪声比(单位作用力下产生的电信号更强)。

尽管该材料的本征压电性能表现优异，但其实际器件层面的性能指标仍有待验证。仅凭较高的 d₃₃系数，不足以证明该材料能在所有场景下替代锆钛酸铅(PZT)。研究人员还需进一步评估该材料的介电性能、开展疲劳测试，并验证其在各种环境应力下的稳定性。

无铅压电技术的未来展望

这项研究为压电材料的设计提供了全新思路。这款可溶液加工的无铅复合压电材料，实现了与常见铁电陶瓷相当的压电灵敏度，满足了市场对更安全、更柔性压电材料的迫切需求。

该研究的影响深远，既有助于产业界满足法规要求，又能推动医疗健康、可穿戴设备等领域的产品创新，更将彻底改变人们对材料设计的传统认知。