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鐵電具有的獨特的光、電、力、熱等性質，吸引了科學和工業(yè)界的廣泛興趣。目前，陶瓷主導了諸多電子陶瓷行業(yè)，從非易失性存儲器（NVM）到壓電聲納或超聲換能器。無機鐵電材料的極化可以在多個方向上重新定向，使得它們可以制作成陶瓷和薄膜等器件。這為分子鐵電材料的發(fā)展和研究提供了很多靈感，近幾十年來分子鐵電材料得到了快速地發(fā)展。然而，如何讓分子鐵電材料在多晶樣品狀態(tài)下表現(xiàn)出宏觀鐵電性，從而具有更優(yōu)越的應用潛力，是具有挑戰(zhàn)的探索工作。對于促進器件化應用和多學科前沿交叉具有重要的意義。

其中，以“似球—非球”和“托福（氟）效應”鐵電化學的學科設計思路，通過氟/氫取代設計合成得到具有低維氏硬度（10.5 HV）的多晶分子鐵電體，相關成果以“The Soft Molecular Polycrystalline Ferroelectric Realized by Fluorination Effect”為題發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（《美國化學會志》）。

此外，以手性設計鐵電化學為創(chuàng)新點的第一例手性Me-Dabco鐵電體成果以“High-Tc Enantiomeric Ferroelectrics Based on Homochiral Dabco-derivatives (Dabco = 1,4-Diazabicyclo[2.2.2]octane)”為題發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.（《德國應用化學》）。

托福（氟）效應成果介紹：基于氟代奎寧環(huán)（類Dabco）

圖1 [3-F-Q][ReO₄]的托福（氟）效應設計合成策略和似球非球相變結構

多軸分子鐵電體的創(chuàng)新性發(fā)展迫在眉睫。為了尋求成本低、生物相容性和機械靈活性好的分子鐵電材料，團隊基于奎寧環(huán)高錸酸鹽化合物，采用氟/氫取代策略（圖1），成功地設計了一例多極軸分子鐵電體，其多極軸特征表現(xiàn)為極好的薄膜宏觀鐵電性（圖2）。氟化作用不僅增加其飽和極化值，還大大降低了矯頑場強。進一步深入研究了氟代效應對晶體結構對稱性和鐵電性的影響。有趣的是，其還是已知分子鐵電材料中最軟的，10.5 HV的低維氏硬度可與聚偏二氟乙烯（PVDF，11.6 HV）相媲美，但比BaTiO₃（869 HV）低近兩個數(shù)量級。這些特性使其在可穿戴柔性設備以及生物力學應用領域具有巨大的潛在應用前景。

圖2（a）粉末壓片SEM圖；（b）介電溫度依賴性，插圖為粉末壓片測得的P-E電滯回線；（c）相同電場下，部分典型分子鐵電體粉末壓片狀態(tài)的P-E關系，（d）薄膜光學顯微鏡照片；（e）薄膜P-E電滯回線；（f）鐵電薄膜疲勞特性

手性化誘導成果介紹：基于甲基Dabco

手性和鐵電性之間的淵源可以追溯到1920年第一個鐵電體的發(fā)現(xiàn)，即含有酒石酸根手性離子的羅息鹽。在分子材料的構筑過程中，只有單一手性分子的參與才能有效保證非中心對稱晶格的形成。明星分子Dabco集中了非常多的鐵電課題，諸多科研人員多年持續(xù)圍繞其開展鐵電研究。通常，理論上認為手性化后的Dabco分子更加容易成為潛在的鐵電體。如Dabco甲基化等，但是實際上非常奇怪和特殊，一直以來科研人員嘗試的甲基化等手性修飾后的Dabco全部以失敗告終，一直沒有實現(xiàn)手性Dabco的鐵電特性，難度非常大。我們首次成功解決了這個難題。這為明星鐵電分子Dabco的衍生和拓展出更多的優(yōu)異特性鐵電材料提供了非常有幫助的策略。該成果被編委會在WileyChem’s Wechat platform介紹（chemistry news outlet in China）。從實驗上再次驗證了手性化鐵電設計策略的高概率和鐵電理論。

圖3 R/S/rac（R、S和消旋）構型的設計思路及高居里溫度

與鐵電疇電驅動誘導翻轉

該系列分子鐵電材料的設計合成是分子鐵電科學與應用研究團隊繼發(fā)現(xiàn)超大壓電電壓系數(shù)二維鈣鈦礦鐵電體（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1077?1082）和具有圓偏振光學特性的鈣鈦礦對映鐵電體（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 4756?4761）以來又一重要階段性重要成果。付大偉教授為通訊作者之一，研究成果得到了浙江師范大學科研基金和基金委重大項目課題的資助。

部分成果連接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c05372

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202007660 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b13291

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b12368