Advanced Materials:“托氟效应”成功地实现了铁电相变温度创纪录的提升

自从100年前发现分子铁电体罗息盐以来,铁电材料已经实现了非常广泛的应用,比如铁电存储器、介电电容器、压电声呐、热释电传感器和电光器件等,涵盖了我们的工作场所、家庭和汽车等不同的领域。其中具备高的相变温度对于铁电体的实际应用是必不可少的。高的相变温度可以提供更宽的工作温度范围和较高的稳定性,从而使一些铁电材料成为多方面领域的关键组件,尤其是在一些能量富集的行业里不可或缺,包括航空航天、汽车和发电行业等。

在过去的几十年中,研究人员已经发现了同位素效应和应变工程可以有效地调节相变温度。但遗憾的是,这些策略仅限于某些特定的系统,比如质子转移型铁电体或者是超薄的无机铁电薄膜。鉴于此,研究一种简单、通用而且实用的方法来提升相变温度已成为扩展铁电体前途应用的迫在眉睫的挑战。

南昌大学汤渊源教授等人利用类同位素效应—“托氟效应”改性策略,将有机-无机杂化钙钛矿三氯合镉酸1-氮杂双环[2.2.1]庚烷盐((ABCH)CdCl3)中的氢原子用氟原子取代,成功构筑了4号位氟基取代的多极轴杂化钙钛矿铁电体((4-FABCH)CdCl3)。由于氟原子和氢原子具有相近的原子半径,所以氟取代往往可以使晶体的极性和相变保持不变,使得化合物仍然具备铁电性。而且氟原子的引进,既可以增加分子的偶极矩同时还可以提高阳离子转动的势垒,从而使得极化强度和相变温度有所提高。正如所预料的,铁电相变温度从(ABCH)CdCl3中远低于室温的190 K成功提升到了(4-FABCH)CdCl3中的419 K,甚至超过了经典的无机铁电体BaTiO3的相变温度393 K。高达229 K的相变温度的剧烈提升创造了分子铁电体的最高纪录,远远超过了同位素效应和其他手段引起的相变温度的提高。此外,它的饱和极化强度高达11.2 μC/cm2,大于经典的有机聚合物铁电体PVDF的极化值8.0 μC/cm2

研究者相信,这一开创性的进展为提高铁电体中的相变温度提供了有效而通用的方法,并且标志着分子铁电体朝着高性能技术迈出了重要一步。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202003530)上。相关工作得到了国家自然科学基金重大项目、面上项目和青年科学基金项目的资助。