基于单手性阴离子分子基铁电晶体的设计合成、性能及机理的研究

Ferroelectric crystals can generate the electric polarization and spontaneously enable the reverse of electric polarization by inverting the external electric field with excellent ferroelectricity, piezoelectricity, pyroelectricity, optical nonlinearities, electro-optic effect and photorefractive effect etc.Such electro-active materials have important opto-electrical applications. However, exploration of new ferroelectrics and their ferroelectric origin still remains a challenge. The project will foucs the assembly of novel acentric and polar crystals, utilizing the homochiral anions and the molecular rotator of the cations, and explore novel molecule-based ferroelectrics by analysis of the variable-temperature crystal structure, thermal, electric and nonlinear optical properties. Large-size and high-quality crystals will be grown by investigating the growth mechanism and growth defects. Ferroelectricity will be studied systemically in order to enhance the spontaneous polarization and conversion efficiency. The phase transition mechanism and ferroelectric origin will also be investigated by variable-temperature crystal structure diffraction and Raman scattering and solid state MAS NMR, which will provide the scientific support for the exploration of new ferroelectrics and polar functional materials. Expect for 16-20 high-quality academic publications, 4-6 patents and educationg 5-6 graduate students.

铁电晶体的自发极化可在外加电场下反向，表现出优异的压电、热释电、铁电、电光、声光和非线性光学等性能，具有重要的光电应用价值。目前，新型铁电晶体的研究备受人们关注，如何借助分子设计和晶体组装工程，探索新型分子基铁电晶体并研究其铁电作用机理一直是科学难题。本课题将利用单一手性有机阴离子和"分子马达转子"阳离子一起构筑一系列新颖的极性化合物；通过对晶体结构、热学、介电和光学等性能的研究，探索新型的分子基铁电晶体；通过研究晶体的微观生长机制，制备出大尺寸、高质量分子基铁电单晶；研究晶体的铁电性质，期望获得具有优异性能（合适的工作温度，大的饱和极化强度，小的矫顽电场）的分子基铁电晶体；借助变温单晶衍射、变温拉曼散射和变温魔角固体核磁等手段研究晶体相变过程中的精细结构变化及其铁电作用机理，为构筑新型分子基铁电晶体提供科学依据。预计发表16-20篇高质量的学术论文，申请专利4-6项，培养5-6名研究生。

铁电晶体材料在外电场作用下，其自发极化方向可以反向，进而表现出独特的光电性能，在非易失性存储、压电、热释电探测及传感等方面具有重要的应用前景。在本课题中，我们主要利用手性阴离子和"分子马达转子"分子为基本结构基元，通过引入柔性的有机阳离子，利用分子设计和化学剪裁等方法，可控地合成和制备一系列性能优异的新型分子铁电材料，并对其相变晶体结构、热学、电学和光学等性质进行了深入的研究，开发出了几例高性能的铁电晶体材料，表现出大的饱和极化强度和高的局里温度。与此同时，通过深入地研究铁电晶体的宏观性能与微观结构的构效关系，揭示了相关性能的结构机制，为进一步优化分子铁电晶体材料的设计合成提供了重要的科学依据。相关的研究成果共发表57篇相关高质量的国际学术论文（包括JACS 5篇，Angew 4篇， Nat. Commun. 1篇，Adv. Mater. 1篇）；申请专利7项。在项目执行期间共培养硕士研究生4名，博士研究生5名，其中1名博士研究生获得2014年中科院院长优秀奖；2 名外籍博士研究生分别获得2016及2017年国科大优秀来华留学生荣誉称号。