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“多则异”:富勒烯加合物C60S8分子铁电体的发现

作者:艾勇时间:2023-10-12
摄影 艾勇 单位
  

本网讯(通讯员艾勇)近日,350vip浦京集团艾勇教授与廖伟强教授在分子铁电材料领域取得重要研究进展,根据“多则异”的思想设计并合成了富勒烯加合物C60S8分子铁电体,相关研究成果以“Discovery of Ferroelectricity in the Fullerene Adduct C60S8”为题发表于Journal of the American Chemical Society。

富勒烯是一种由碳原子组成的球状分子,拥有独特的结构和物理、化学性质,备受材料科学和纳米技术界的关注。铁电体是一类极化方向在外电场下可重取向的电偶极活性材料,和人们熟知的铁元素没有关系。研究富勒烯的铁电性质对于拓展其在电子器件和存储技术等领域的应用非常重要。在以往的研究中,研究人员通过计算预测了金属内嵌富勒烯的铁电性,也有学者报道了富勒烯Gd@C82单分子驻极体呈现出类似铁电性的极化翻转特性。然而,富勒烯的铁电性质目前仍未得到充分研究和应用,主要原因是富勒烯分子的高对称性。

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图1、“多则异”:富勒烯加合物铁电体C60S8的设计思路。C60和S8在外电场(E)下表现出普通电介质的极化(P)随E变化的线性行为(左下),而C60S8的极化P在外电场E下可重新取向(右下,两种箭头方向代表两种极化方向),并且其铁电畴可翻转(右下,方框中两种颜色区域代表不同极化方向的铁电畴)。

铁电相变伴随着空间对称性的破缺,偶极有序排列引起的自发极化,仅存在于10个极性晶体点群(1 (C1),2 (C2), m (Cs), mm2 (C2v),4 (C4),4mm (C4v),3 (C3),3m (C3v),6 (C6),6mm (C6v))中。根据Philip Anderson的“多则异”理念,如图1所示,350vip浦京集团艾勇教授与廖伟强教授设计、合成了富勒烯加合物C60S8,利用富勒烯C60与S8分子的范德华相互作用,为偶极取向操纵提供了机会。尽管C60和S8分子各自具有较高的分子对称性(IhD4d),它们的组合导致了低对称性加合物C60S8结晶在C2Vmm2)点群。研究表明,C60与S8的分子间相互作用导致了微小的结构扭曲和晶格重叠,从而引起晶体的极性。C60S8在230 K经历了从极性到极性的相变,属于mm2Fm(C2vP↔FCs)型铁电相变,电滞回线测试和铁电畴翻转进一步证实了它的铁电性质。

这项研究工作是熊仁根教授提出的“铁电化学”思想指导化学设计分子铁电体的又一成功例子,不仅激发了设计铁电富勒烯和其他新型分子铁电材料的灵感,还为“多则异”的分子设计理念的发展增添了新的元素。


论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c08419


编    辑:程慧萍

责任编辑:涂金凤