分子铁电体的多极化态构筑与压电强化

As an important functional material in the field of electronic technology, molecular ferroelectrics have received extensive attention due to the advantages such as solution processing and synthesis, flexible structure, easy film formation, light weight and low acoustic impedance. Among the most functional applications of ferroelectric materials, piezoelectric properties occupy a major position in the practical application of ferroelectric materials. However, piezoelectric properties have always been the weakness of molecular ferroelectric materials. This application is based on the frontier field of molecular ferroelectric materials. It is the first time to propose the functional element of the ferroelectric polarization state. By constructing molecular ferroelectric materials with multiple polarization states, the compositional regulation and ferroelectric domains engineering and other sequential means are used to achieve significant changes in functional elements (polarization states), thereby enhancing the piezoelectric properties of molecular ferroelectrics. Try to solve the problem of weak piezoelectric properties of traditional molecular ferroelectric materials. In addition, this application is based on the basic scientific issues of polarization and macro-piezoelectric/ferroelectric properties, exploring the relationship between functional primitives and macroscopic properties in molecular ferroelectrics, and attempting to establish a new method for directional design of high-performance molecular ferroelectric materials.

分子铁电作为电子技术领域重要的功能性材料，凭借其溶液加工合成、结构灵活多变、成膜容易、轻量化与低声阻抗等一系列优点受到广泛的关注。在铁电材料众多的功能性应用当中，压电特性在实际铁电材料的应用中占据了主要地位。然而，压电性能却一直是分子铁电材料的短板。本申请书以分子铁电材料这一前沿领域作为研究对象，首次提出选取铁电极化态这一功能基元，通过构建具有多重极化态的分子铁电材料，运用组分调控和铁电畴工程等序构手段，实现功能基元（极化态）的明显改变，从而强化分子铁电的压电性能。尝试解决传统分子铁电材料压电性能弱这一难题。此外，本申请书立足于极化态与宏观压电/铁电性能这一基础科学问题，探索分子铁电中功能基元与宏观性能的关联，尝试建立定向设计高性能分子铁电材料的新方法。

分子铁电晶体，是由分子或分子离子通过范德华力、静电力等作用聚集而形成的电介质晶体。在铁电材料众多的功能性应用当中，压电特性在实际铁电材料的应用中占据了主要地位。这种可以直接实现机械能与电能相互转换的材料已经广泛应用于水声系统、超声波换能器、声表面波器件、微电子机械加工等领域，成为深入到现代社会各个层面的重要功能材料。虽然分子铁电材料凭借其溶液加工合成、结构灵活多变、成膜容易、轻量化与低声阻抗等一系列优点受到广泛的关注，压电性却一直是分子铁电材料的短板。本项目立足于人工构筑有序极化态，进而实现宏观铁电、压电性能强化。通过选取柔性有机胺规则有序的排列在刚性的一维无机骨架中，我们构建了一种新的一维卤化物钙钛矿铁电：DMAACdCl3，其表现出高于室温的铁电相变，其饱和极化为1.9μC cm-2，矫顽场为5.0 kV cm-1。DMAACdCl3薄膜使用易于加工的溶液涂布方法成功制备，并保持良好的铁电性能，并通过压电响应力显微镜进行了验证。更重要的是，铁电薄膜具有优异的横向压电性能，其面内压电响应约为41 pC N-1，约为众所周知的压电聚合物PVDF（21 pC N-1）的两倍，其开发将在下一代智能压电器件的设计中发挥重要作用。此外，我们选用单一手性的有机单分子樟脑磺酰亚胺的螺旋排列，构筑了具有多极化态的422F2 多轴铁电性，具有6重等价的铁电极化态。居里温度高达 429 K。此外，它们具有优异的声阻抗特性，数值为 2.45 × 106 kg s-1 m-2，低于明星高分子 PVDF。据我们所知，对映异构体（R 、 S）-10-樟脑磺酰亚胺在已知的有机单组分铁电体中表现出最高的居里温度，并且与动物体组织的声阻抗非常匹配。高居里温度保证了压电性能在室温及高温工况工作的稳定性。这项工作促进了高性能有机单组分压电体的发展，对探索其在下一代柔性智能设备中的应用具有很大启发。