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东南大学团队取得重要研究进展:世界首例无金属钙钛矿型铁电体问世

2018年07月13日 19:36:33 来源: 新华网

    新华网南京7月13日电(庞雪汀 翟梦杰)近日,东南大学熊仁根团队、游雨蒙课题组在分子铁电材料领域再次取得重要研究进展。相关研究结果以Metal-Free Three-Dimensional Perovskite Ferroelectrics(无金属三维钙钛矿铁电体)”为题于美国东部时间2018年7月13日被国际顶级学术期刊“Science(科学)”杂志在线发表。

    常见的钙钛矿材料主要有两种,无机钙钛矿和有机-无机杂化型钙钛矿。这两类钙钛矿材料均带有金属元素,虽然金属元素的出现赋予了钙钛矿材料某些功能性优势,但也加大了其加工、制备的困难。除此以外,某些金属元素(比如铅)更是会造成严重的环境问题。

    因此,人们一直在寻找钙钛矿家族中的第三类——全有机钙钛矿材料,因为当材料中所有的金属阳离子都被分子所代替后,材料不但会展现出某些“神奇”的性质,同时其制备加工难度也会大大降低,更加适应新时期对材料的薄膜、柔性、生物兼容等方面的要求。

    学术期刊“Science”曾在2002年预言过无金属钙钛矿材料的种种新奇特性。其中,明确提出了利用手性分子组装具有手性对映体的无金属钙钛矿材料。所谓的手性,是指一个物体不能与其镜像相重合。比如我们的双手,左手与互成镜像的右手不重合。手性是宇宙间的普遍特征,不光体现在生命的产生和演变过程中,甚至在基本粒子中也存在着“手性”。

    东南大学的分子铁电团队,经过刻苦攻关,利用带电分子集团取代无机离子,成功地制备出了一大类共计23种全有机新型钙钛矿材料。其中,共有17种材料显示出了良好的铁电性,尤其是本次发现的MDABCO-NH4I3,不但具有接近无机陶瓷铁电体钛酸钡(BTO)的极化强度(Ps),其相变温度甚至超过BTO约50摄氏 度,具有极高的应用前景。同时,与无机钙钛矿铁电体类似,这类新型无金属钙钛矿铁电体也具有多重极化轴,以MDABCO-NH4I3为代表,高达四重极轴带来了多达八个可选择的极化方向,和巨大的薄膜应用潜力。

    更值得一提的是,团队合成了4种材料的左手对映体、右手对映体及外消旋化合物,并分别证明了它们的铁电性。结合全有机钙钛矿材料多变的结构和组分、独特的铁电性质以及手性对映体对于光的不同,这类材料也将在数据存储、逻辑运算、光量子通信、光学雷达、能源转换等应用中崭露头角。

    这一研究成果被《科学》发表,不但将十余年前的预言变成了现实,为钙钛矿这一重要的材料家族增添了新的成员,同时也为铁电材料的研究带来了新的思路和方向,更是标志着我国在分子材料领域又一次走在了世界前列。

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【纠错】 [责任编辑: 于蕾 ]
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