有机超分子铁电材料的理论研究——分子设计和极化开关

Since organic ferroelectric materials would have wonderful application of nano-optoelectronic devices, their synthesis, properties, and device structures are frontiers of the material research field. Organic ferroelectrics form three-dimensional crystals and two-dimensional thin films through complex supramolecular self-assembly. Therefore, they have complicated ferroelectric mechanism. This project would develop computational methods to estimate polarizations of charge-transfer complexes and two-dimensional self-assembled thin films of organic ferroelectrics, and would investigate effect of chemical modifications of organic supramolecular ferroelectrics (columnar ferroelectric liquid crystals, diisopropylammonium halogen, and multiferroic metal−organic frameworks) on their polarization properties to understand their pictures of ferroelectric mechanism and to further guide the experimental synthesis of exotic organic ferroelectrics for real device application.

有机铁电材料在纳米光电器件上有很好的应用前景，它们的合成、性能调控以及器件结构是当前材料领域的前沿热点问题。有机铁电体通过复杂的自组装相互作用形成三维晶体和二维薄膜，它们的铁电机理极其复杂。本项目通过发展电荷转移复合物和二维自组装有机铁电薄膜极化值的计算方法，以及研究化学修饰对复杂超分子组装体系（柱状铁电液晶、卤化二异丙基胺、多铁性的金属—有机骨架化合物）极化性质的影响，来建立不同体系的铁电机理图像，并为实验合成性能卓越、且能真正应用于器件的有机铁电体提供理论依据。

超分子自组装的分子基铁电体在能源转换器件上有很好的应用前景，它们的合成、性能调控以及器件结构是当前材料研究的热点问题。本研究围绕四类典型的超分子自组装的分子基铁电体——基于胺-冠醚的主客体化合物、金属-有机单核化合物、有机-无机杂化钙钛矿、纯有机钙钛矿展开了系统的理论研究：首先针对每一类铁电体选取了模型体系，采用第一性原理计算详细给出这些模型体系的铁电、压电、铁弹相变机理，在此基础上发展了多功能性重要物理参数的计算方法；再结合晶体结构数据库实施了这四类铁电体数据挖掘，然后建立了它们的构效关系，并进一步总结了这四类铁电体的设计原则；最后实施有效的化学修饰，先于实验设计了面向应用的多功能性候选铁电体。本研究给实验工作者提供了可供合成和表征的候选铁电体，从理论上提出了新的重要参数的计算方法，也提出了新的材料研发思路。本研究必将为加速研发性能卓越且能真正应用于器件的分子基铁电体提供理论依据。