作者:罗序中等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/3/22 11:19:20
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首例二维无铅有机-无机杂化钙钛矿多极轴铁电体

与传统的二维材料和三维有机-无机杂化钙钛矿相比,二维有机-无机杂化钙钛矿体系因其更为优异的材料稳定性、化学多样性和结构可调控性而备受关注,也为通过分子修饰和分子自组装等策略进行相关功能特性的设计调控提供了丰富的材料平台。二维有机-无机杂化钙钛矿采用典型的有机阳离子层与无机阴离子骨架松散的连接并相互交替的层状结构,为诱导和激发铁电性提供了一个很好的机会,并取得了一些重大发现和进展,如涡旋畴结构的发现与高居里温度和大压电电压系数的优良铁电性能等。然而,二维杂化钙钛矿铁电体主要是铅卤杂化钙钛矿,结构中的金属铅对于环境和人体的高毒性是其进一步应用的巨大障碍,无铅化的二维杂化钙钛矿铁电体仍然非常罕见。此外,在应用方面,与单极轴铁电材料相比,具有多个等效极化方向的多极轴铁电体是更为优选的。特别是对于铁电多晶和薄膜样品来说,等效极化方向越多,铁电体的极化切换或反转就越容易和有效。目前广泛应用的商业化无机铁电陶瓷通常是多极轴的,如BaTiO3具有3个极轴和6个等效极化方向。在这方面,目前大多数二维杂化钙钛矿铁电体是单极轴或双极轴的,这也大大限制了其进一步的实际应用。

近日,在“铁电化学”中的“H/F取代策略” 分子铁电体设计原理(即通过对结构中的分子进行H/F取代修饰,引入强电负性的F原子,产生特定的分子间相互作用,诱导得到极性的晶体结构,并显著提高材料的居里温度和自发极化)的指导下,研究者利用双氟取代的3,3-二氟环丁基胺,成功设计合成出首例无铅二维有机-无机杂化钙钛矿多极轴铁电体:[3,3-二氟环丁基胺]2CuCl4(图1),其在380 K的居里温度下发生了4/mmmFm型铁电相变,具有4个极轴和8个等效极化方向,比其他大多数二维杂化钙钛矿铁电体和无机铁电体BaTiO3的都要多。更为有趣的是,铁电相变过程中,它还表现出晶体颜色从黄绿色到深棕色的显著热致变色行为。优异的铁电性能、出色的多极轴特性、独特的热致变色性质使其有望应用于新一代的多功能智能器件。

该研究成果首次报道了具有多极轴的无铅二维杂化钙钛矿铁电体,这一开创性的工作为探索具有应用前景的新型多极轴无铅二维杂化钙钛矿铁电体提供了新思路。相关研究成果发表于《国家科学评论》(National Science Review,NSR),论文第一作者为赣南师范大学化学化工学院硕士生黄超然,通讯作者为赣南师范大学罗序中教授和东南大学熊仁根教授。该工作得到了国家自然科学基金的大力支持。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa232

 
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