生化学院分子铁电团队首次在分子铁电实验中观测到滑移铁电
日期: 2022-08-07 编辑: 供稿单位: 生化学院

近日,浙师大生化学院分子铁电团队在滑移铁电的实验验证与理论计算方面取得新突破。该项实验填补了直接观测和证实滑移铁电的空白,在理论方面深入揭示了其铁电性具有几何铁电性与滑移铁电性双重起源。成果以Direct observation of geometric and sliding ferroelectricity in amphidynamic crystal为题发表于Nature MaterialsNature MaterialsNature系列子刊,每年发文量仅约200篇。其影响因子在材料科学领域中高于其他学术期刊2022年影响因子为47浙江师范大学为第一单位通讯单位


滑移铁电这一概念在2017年首先提出,是一类存在于范德瓦尔斯体系中的新型铁电性。比如六方氮化硼、二硫化钼等二维材料材料,虽然其单层为中心对称结构,但通过双层或多层堆叠破坏了空间反演对称性,可以产生面外铁电极化,并且其极化可以通过层间滑移所翻转。在吴梦昊教授提出的设想基础上,国际诸多高水平研究组(如麻省理工学院、华盛顿大学等)纷纷在氮化硼、二硫化钼双层或少层实验上验证此类铁电性,引起了铁电领域与二维材料领域研究者广泛关注。


然而,由于这些被报道的滑移铁电材料普遍存在铁电极化小、材料绝缘性差等明显问题,因此导致之前所有的铁电性表征均为间接方式,主要为其微纳器件中的输运行为或压电力显微镜。这些实验提供了滑移铁电性必要不充分的证据。而最直接、最充分的铁电证据-电滞回线,之前尚未见报道,这使得滑移铁电性的实验证实还缺少最关键一环。


2011年发现了首例相变冠醚分子铁电以来(JACS, 2011,143,5091),团队先后设计合成了一系列更加优异的冠醚铁电新材料(Phys.Rev.Lett., 2013,110,257601ACIE, 2014, 532114 ACIE2014, 53, 6724这类铁电材料具有非常独特的分子马达特征。基于前期研究基础,团队将方案从二维半导体双层转移到了有机无机杂化范德华晶体,尝试在大带隙的晶体来寻找滑移铁电的最直接证据。


1. a.结构示意图。b. 电滞回线。c. 几何铁电起源示意图。d. 滑移铁电起源示意图。


本次设计合成冠醚分子铁电体为典型的范德瓦尔斯体系,由无机CdCl2框架作为定子和有机冠醚环作为转子组成。实验证明随着温度降低,其中冠醚环转子被冻结,单层即可以产生几何铁电性。对比高温相(顺电相)和低温相(铁电相)结构中原子位置,发现其存在层间滑移,并产生滑移铁电。本工作充分表征了其铁电性,包括介电异常热释电压电力显微镜二次谐波信号以及最直接证据电滞回线。同时,东南大学董帅教授通过理论计算,阐明了其铁电起源为几何铁电性加上滑移铁电性,是整体工作贡献的重点。这一工作对滑移铁电性这一铁电新分支提供了强有力的支撑,将几何铁电性和滑移铁电性通过分子铁电得到了充分表达,打开了一扇探索和解决更多铁电难题的大门。Nature Materials邀请华威大学Mark S. Senn副教授与牛津大学Andrew L. Goodwin教授撰写题为Polarization from sliding molecular rotors的评论文章。 



编辑:赵菡婧



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