分子介电开关材料研究取得进展:通过分子运动调控材料介电响应

介电开关材料是一类可在外界刺激(如:温度、压力、光照等)下产生介电状态可逆转变的材料。作为一类新型的响应型介电材料,可用于开关、传感等领域。东南大学有序物质科学研究中心张闻教授与华东师范大学上海市磁共振重点实验室姚叶锋教授团队合作,制备了一系列介电开关材料,并对其介电转变机理进行了深入而细致的研究。在最新的一个工作中,该合作团队设计并制备出一个低成本、易加工、介电转变接近室温范围且无频率依赖性的分子介电开关材料:二(2-氯乙基)胺盐酸盐分子晶体,并从分子层次上阐述了该材料的介电转变机理。相关研究结果发表在Advanced Science上。

材料介电状态转变的机制,从微观角度上看,主要有三个来源,即电子极化、离子极化和偶极转向极化。在存在偶极子的分子基材料中,材料的介电性质与偶极子的转向行为密切相关。通过改变偶极子的运动行为,有可能调控材料的介电性质。基于这一思路,张闻与姚叶锋合作团队设计和制备了二(2-氯乙基)胺盐酸盐分子晶体。在该材料中,由于晶格的束缚,二(2-氯乙基)胺离子(BCEA)在介电转变温度(320 K)以下处于静止状态,对应于低介电状态。在320 K以上,BCEA开始在晶格中进行轴向旋转,旋转轴与分子骨架的中心线接近(如图示)。该旋转运动引起了BCEA分子偶极距在垂直于转轴的平面内的周期性变化,导致了材料介电状态的突变,对应于高介电状态。

该工作所阐述的介电转变机理,清晰的揭示了有机分子运动与材料介电转变之间的关系,有助于指导新型有机介电开关材料的分子设计与制备。

相关工作得到了国家自然科学基金的资助。Untitled