山西大学在非铅金属卤化杂化铁电体方面取得新进展

近日，山西大学化学化工学院，晶态材料研究所符冬营团队与福建物质结构研究所罗军华、浙江师范大学付大伟和南京大学陈爽团队合作，在非铅金属卤化杂化铁电体领域取得新进展，相关成果以“Regulating Noncovalent Interactions to Construct High-Temperature Multiaxial Lead-Free Metal Halide Hybrid Ferroelectrics”为题，发表于化学领域顶级期刊Journal of the American Chemical Society。

非铅分子铁电体由于其环境友好性和功能多样性，有望推动绿色电子技术的发展。然而，这类铁电体种类有限，居里温度低以及单轴特性对其应用构成了重大障碍。针对这一挑战，研究团队提出了调控结构中非共价相互作用网络策略，实现了高温多轴非铅铁电体的成功构筑。

基于朗道理论，分子铁电体的构筑需要结构对称性破缺和可逆的极化翻转，对金属卤化杂化材料中非共价相互作用网络的调控是实现这两点的有效手段。朗道理论和非共价相互作用的结合构成了一个从物理理论指导化学合成的过程，最终以一种巧妙的方式创造了铁电体。该研究以非铁电体(PMA)3MBr6（M=Bi3+/Sb3+）为原型化合物，通过混合阳离子策略构筑了一系列零维金属卤化杂化材料 (PMA)2(A)MBr6（A=DMA+、FA+、GA+）。DMA+/FA+/GA+作为第二种有机阳离子的引入使PMA+阳离子发生重排，在结构中产生了不同强度的阳离子-π相互作用，与此同时也调控了结构中的氢键网络。具体而言，(PMA)2(GA)MBr6和(PMA)2(FA)MBr6中具有较强的非共价相互作用网络，导致它们的相变温度较高，分别为443 K和417 K，但过强的氢键网络与阳离子-π相互作用使体系缺乏实现铁电翻转所需的动力学自由度，从而抑制了铁电性的产生。(PMA)2(DMA)MBr6的居里温度（Tc）虽然为385K，但适度的非共价相互作用可在Tc以下维持自发极化，并为极性单元翻转提供必要的动态通道，从而保证了该化合物的铁电性能，并且其Tc值也仍然在非铅铁电体中处于较高水平。此外，化合物(PMA)2(DMA)MBr6是具有6个等效极化方向的多轴铁电体。该发现为设计高居里温度、多轴环境友好型分子铁电体提供了重要且有效的途径。

山西大学为论文第一单位，山西大学符冬营为论文第一作者和通讯作者，福建物质结构研究所罗军华、浙江师范大学付大伟和南京大学陈爽为该论文的共同通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金、山西省“青年拔尖人才”项目，山西大学“文瀛青年学者”项目，量子光学与光量子器件国家重点实验室开放课题的资助。（通讯员：张颖）