高Tc和Ps的有机-无机杂化分子-离子型铁电体的合成研究

Comparing with traditional inorganic ferroelectrics, study of melecule-based ones are of great scientific significance due to its contribution to new ideas and materials for ferroelectric application and development. But now the obtained molecule-based ferroelectrics are inadequate to be used due to their drawbacks in sub-ambient phase transition temperature (Tc) and low spontaneous polarization (Ps). Therefore, one of the biggest challenges is still the rational design and adjustment of novel ferroelectric systems. Solutions to this problem rely on a deep understanding of structure-function relationship in ferroelectrics. In this proposal, a way similar to the post-synthesis will be adopted to prepare organic-inorganic hybrid molecular-ionic compounds by the reaction of organic amine and metal complex salt or inorganic acid, which are composed of organic cations and metal complex anions or inorganic acidic groups. These compounds will be characterized by temperature dependence dielectric test to search for molecule-based ferroelectrics with reversible ferroelectric-paraelectric phase transition. The mechanism of phase transition will be discoled and used to adjust the phase transition temperature. By using molecular structure design and crystal control methods, the structure-function relationship of molecule-based ferroelectrics will be systemically investigated and utilized to find the key factors for tuning their properties. It is of significance to engage in this proposal for which could provide a deeper understanding of the structure-function relationship of ferroelectric materials and the theoretical and practical foundation for the research and development of high-performance molecule-based ferroelectric materials.

与传统无机铁电体相比，分子基铁电体的研究能够为铁电材料的应用与开发提供新的思路和素材，具有重要科学意义。但目前得到的分子基铁电体，相变温度(Tc)大多在室温以下，且饱和极化值(Ps)较小，不利于实际应用。因此，如何合理设计和调控新型铁电体系仍是目前所面临的挑战，解决这一问题需要对铁电体的结构-功能关系有更深入的理解。为此，本项目采用类似于后合成的设计方法，将有机胺与金属络合物盐或无机酸作用，制备由有机阳离子与金属络合物阴离子或无机酸根组成的有机-无机杂化分子-离子型化合物；利用变温介电性能测试等方法筛选出具有可逆铁电-顺电相变的分子基铁电体，探明其相变机理，依据相变机理调控Tc温度；通过分子设计和晶体调控，系统研究构效关系，找出影响铁电性能的关键因素，揭示分子基铁电体的性能调控机制。通过本项目研究，可以进一步加深对铁电材料结构-功能关系的理解，为开发高性能分子基铁电材料提供理论及实践依据。

有机-无机杂化分子基铁电体是目前分子功能材料研究的一个前沿领域，具有重要的理论和应用价值。对分子基铁电体结构和功能关系的探究有助于深入开展分子基铁电体的性能调控。在项目实施过程中，我们通过结构设计和晶体工程原理，成功构筑得到若干个具有可逆相变和介电异样的有机-无机杂化分子-离子型化合物，包括席夫碱-稀土单离子体系，烷基铵-金属卤化物体系，含卤素取代基的烷基铵-金属卤化物体系，含卤素和羟基取代基的烷基铵-金属卤化物体系。通过对化合物晶体结构和相变行为的深入研究，阐明了影响相变温度和偶极变化的关键因素，为后续深入研究和拓展提供了很好的思路和基础。对有机-无机杂化分子-离子型化合物的系统研究，我们得到了一些初步的结论：1）金属卤化物阴离子和有机铵阳离子之间存在有协同作用，共同决定材料的综合性能；2）金属卤化物阴离子对相变温度有着至关重要的影响；3）有机铵阳离子中，使用重原子取代基和适当缩短碳链长度有助于提高相变温度和偶极变化。这一认识有助于后续分子功能材料研究工作的进行。.针对材料器件化和微型化研发的现实需求，本项目还开展了柔性复合物薄膜的拓展性研究。研究发现，可以将极性分子基材料引入到β-晶相的PVDF中，利用基材自身规则排列的极性环境实现对极性客体的诱导定向排列，获得高性能的柔性复合物薄膜材料，有助于解决单轴极性分子基铁电体成膜后因无规取向导致性能弱化的问题，具有实际应用价值。