手性层状铅碘钙钛矿铁电体的精准合成与功能、应用探索

Chiral layered lead iodide perovskite ferroelectrics, which combines desirable characteristics from chiral materials, molecular ferroelectrics and organic-inorganic layered lead iodide perovskites, and possess various properties of optical activity, ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, luminescence, semiconductive property and so on, is a new type of promising chiral multifunctional materials. This project aims to achieve precise synthesis of homochiral layered lead iodide perovskite ferroelectrics by introducing flexible homochiral organic cations and supramolecular interactions. Then, we will systematically characterize the structure, chiral related properties, ferroelectric related properties and optoelectronic properties of the enantiomers, deeply analyze the relationship between microstructure and macroscopic properties, and explore their application in solar cell. This work will positively promote the development of new chiral functional materials. The project studies the synthesis, function and application of chiral layered lead iodide perovskite ferroelectrics, which is related to chemistry, physics, material science and other disciplines. This project will connect with other projects from the major program and play a positive role in the accomplishment of the major program.

手性层状铅碘钙钛矿铁电体融合了手性材料、分子铁电材料和有机-无机层状铅碘钙钛矿材料的性能优势，同时具有光学活性、铁电性、压电性、热释电性、发光、半导体特性等多种性质，是一类极具发展前景的新型手性多功能材料。本项目拟通过引入单一手性柔性有机阳离子和超分子作用力，实现对单一手性层状铅碘钙钛矿铁电体的精准合成。系统的表征不同镜像异构体的结构、手性相关性质、铁电相关性质和光电性质，深入分析微观结构与宏观性质之间的关系，探索在太阳能电池中的应用，积极推动新型手性功能材料的发展。本项目是对多层次、跨尺度的手性层状铅碘钙钛矿铁电体的构筑、功能及应用研究，涉及化学、物理、材料等多个学科，能够与项目群其它研究方向相结合，为项目群总体目标的顺利完成起到积极的推动作用。

手性与铁电性密切关联，且铁电体丰富的物理性质有助于研究不同镜像异构体的功能特性。然而，手性铁电体的构筑一直是个难题，使得手性铁电多功能材料研究长期被忽视。本项目按项目任务书中内容计划实施，围绕手性铁电体特别是层状铅碘钙钛矿手性铁电体研究展开工作，取得的重要研究成果包括：设计合成了单一手性层状铅碘钙钛矿铁电体及其对映体，它们的晶体结构和振动圆二色光谱均显示出镜面关系，并都发生了422F1型铁电相变，直接带隙为2.34 eV，为手性层状铅碘钙钛矿铁电体的构筑提供了思路；进一步开发出以亚硝酸根离子而非传统卤素阴离子为桥联配体的新型手性钙钛矿铁电体，同时具有较高的居里温度和饱和极化；将单一手性层状铅碘钙钛矿铁电体应用到钙钛矿太阳能电池中，利用铁电体的自发极化，有效提升了光电转换效率，提升幅度达到19%，对手性铁电体的光伏应用研究具有重要的指导意义；构筑了多例具有高居里点的有机对映体铁电体，居里温度高达470 K，并发现可光控铁电极化翻转的有机对映体铁电体，拓展了手性铁电体的功能特性。本项目提出手性铁电体的有效设计策略，合成了若干性能优良的对映体铁电体，项目研究将积极推动手性铁电体功能材料的发展。在该项目的资助下，项目负责人以一作或通讯作者身份共计发表SCI论文21篇，包括J. Am. Chem. Soc. 2篇、Angew. Chem. Int. Ed. 2篇、Adv. Mater. 1篇、Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1篇、Adv. Sci. 1篇、Chem. Commun. 3篇等。项目负责人入选了教育部“长江学者”青年学者奖励计划。