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    我国学者发现世界首例有机单分子对映体铁电体

    日期 2019-03-18   来源:化学科学部   作者:梁振兴 张国俊 董建华 陈拥军  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:21831004, 21427801, 91422301, 91856114)等资助下,南昌大学与华东师范大学合作,在手性分子铁电材料领域取得重要研究进展。相关研究结果以“Organic Enantiomeric High-Tc Ferroelectrics”(有机对映体高居里点铁电体)为题发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (《美国科学院院刊》)杂志上。论文链接:https://www.pnas.org/content/early/2019/03/07/1817866116。

      1920年发现的第一例铁电体罗息盐([KNaC4H4O6]·4H2O)是一例单一手性分子化合物,结构中包含L(+)-酒石酸分子。然而,绝大部分铁电体是无机铁电陶瓷材料,不存在手性中心。近100年来,手性铁电体基本上是多组分的有机胺盐或者金属配合物。

      南昌大学科研团队等首次报道了一对单分子有机对映体铁电体,(R)-3-奎宁环醇和(S)-3-奎宁环醇,以及外消旋体(Rac)-3-奎宁环醇。手性(R)-和(S)-3-奎宁环醇室温下结晶于对映异构极性点群C6,振动圆二色光谱和晶体结构展示出完美的镜像关系(如图)。两种对映体均表现出622F6型铁电相变,居里温度(Tc)高达400K,远高于其他手性铁电体,媲美于经典的无机铁电体钛酸钡(393K),该相变符合手性保留规律,顺电相仍保留在手性点群(即D6),这是手性晶体最重要的特征之一。此外,饱和极化强度(高达7 μC/cm2)与有机聚合物铁电体PVDF相当,低矫顽场(15 kV/cm)可保证铁电极化易于反转。然而,它们的外消旋体(Rac)-3-奎宁环醇结晶于非极性点群C2h,不具有铁电性。因此,在分子晶体中引入手性有利于诱导结晶在极性点群,从而构筑高温铁电体。

      本研究揭示了单一手性在精准设计高居里点铁电体中的巨大优势,为发展新型分子铁电体提供了合理的途径,也为进一步探索高性能多层次手性有机铁电体提供了有效途径,在存储器件和光电器件中具有广阔的应用前景。

    图. (R)-3-奎宁环醇和(S)-3-奎宁环醇分子结构和相应振动圆二色光谱展示出完美的镜像关系




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