一维N-H…N氢键有序型铁电体可控生长和性质研究

有机铁电体因结构易剪裁与易修饰性、有机分子构筑块在三维空间分子自组装的可控性、环保无污染等优点而受到越来越多的关注。但其铁电性的产生机理尚未十分明了，开展有机铁电体的理论和应用研究都具有非常重要的理论和实践意义。O-H…O以及O-H…N氢键有序铁电体已经获得广泛的研究，人们对N-H…N氢键有序铁电体关注较少，而且由于N-H…N几乎是直线型排列更加有利于研究氢键在铁电体中所起的作用。本项目拟运用饱和溶液降温法来制备基于吡嗪及其衍生物的一维N-H…N氢键型铁电晶体。克服配合物铁电体很难生长大单晶、自发极化和热释电电流太弱无法准确测量等研究有机铁电体遇到的瓶颈。通过晶体结构分析、热力学分析、铁电介电压电热释电分析、拉曼光谱、磁性耦合等多种手段来研究其铁电性与O-H…O以及O-H…N氢键有序铁电体之间的区别和联系，为探索新型有机铁电体提供理论线索。

本项目利用分子铁电体结构易剪裁与易修饰性，探索新型的性能优异的分子铁电材料。经过三年的努力，该项目按计划圆满完成，并取得了阶段性进展，多项研究成果已经发表在国际知名杂志上。我们研究发现18冠6与对甲氧基苯胺组成的超分子化合物在150 K发生了一个铁电-顺电转变，自发极化强度为1 μC/cm2。通过单晶衍射和固体核磁共振技术我们证明它的铁电性主要来自苯环和甲氧基转动自由度的冻结。在此研究基础之上我们还发现了一个具有多铁性的化合物三乙基一甲基胺四溴化铁，由于其丰富的应用前景而获得广泛的 关注。它的晶体结构在366 K从低温非中心对称结构转变到高温中心对称结构。同时磁化率随温度的变化也在360 K附近发生一个突变。这说明它具有较强的磁电耦合性能。在9 T磁场作用下，低温相介电常数变化不大，但是高温相介电常数发生较大的改变，尤其在转变温度附近，介电常数最大增强了18%左右。这带来潜在的应用前景。高质量文章的发表表明了我们的工作成果也得到了国际国内同行的认可，项目完成的工作不但具有前瞻性，并具有很好的延展性。分子铁电体研究中仍然还存在很多值得探讨的问题需要进一步展开，部分工作仍在深入进行中。