分子铁电的对称性与物理性质

1、分子铁电的对称性与物理性质分子铁电晶体，是由分子或分子离子通过范德华力、静电力等作用聚集而形 成的电介质晶体。分子铁电作为电子技术领域重要的功能性材料，其极性晶体结 构可以呈现自发电极化,并且自发极化的方向能随外电场方向改变。这种特殊的 晶体结构可以具有非挥发铁电开关效应、压电性、热释电性和非线性光学效应等 特性。从近年来有关分子铁电的研究成果可以看出，关于分子铁电相变对称性的研 究日趋成熟。铁电相变过程中的结构对称性破缺、各种物理性质（介电、压电， 非线性光学和热释电等）的对称性变化等研究逐步成为研究分子铁电的系统方法 学。然而，铁电相变的对称性破缺所产生的影响远不止以上提及的物理性质的演

2、化。随着近年来新技术的发展，围绕分子铁电晶体的对称性和物理性质的研究亟 待需要在新技术的基础上建立新的表征方法，发展和掌握原位、实时、微区物理 性质测量技术已成为分子铁电研究的前沿领域。在本论文中，我们设计、合成了 三类新型分子铁电多功能材料。基于材料的单晶或薄膜等形态，我们研究了这些 铁电晶体对称性允许的物理性质，例如介电、压电、SHG，热释电和铁电等特性。除此之外，我们还将额外的物理性质引入分子铁电晶体当中。通过分子设计 与晶体工程，分子铁电材料可以实现诸多有趣的功能。例如具有旋光开关特性的 光学活性分子铁电体，具有反铁电特性的分子铁电体，具有窄带隙半导体特性的 分子铁电体。这些物理性质在

3、一定程度上丰富了分子铁电的研究范围，并为分子铁电与其 它研究领域的结合提供了一定的材料支持和技术积累。第二章中，通过引入单一 手性有机分子作为极性组分，我们成功构建了一系列具有光学活性的多轴分子铁 电体。我们发现(R)-(-)-3-羟基奎宁环卤化物系列中的铁电性是由于单一手性有 机分子的螺旋排列导致的。由于存在来自分子手性和空间螺旋排列这两种旋光起源在相变前后的贡献 不同，(R)-(-)-3-羟基奎宁环卤化物系列的晶体比旋光度和旋光方向都会在在顺 电-铁电相变过程中发生变化。这种旋光开关特性为开发新型有机电光元件提供 了崭新的思路。第三章中,我们探究了有机-无机杂化钙钛矿3-毗咯啉金翁三漠 化

4、镉晶体中可以存在极化反平行偶极子阵列，并且呈现出清晰的双电滞回线的反 铁电特性。不仅如此,该晶体还具有优异的铁电性(高达7.0 M C/cm2的自发极化)。就我 们所知，这是在有机-无机钙钛矿中首次发现了这种连续的铁电-反铁电-顺电的 连续相转变。此外，在相变过程中我们还观察到，即使在1 MHz的高频下,介电常 数依然高达1600。同时，在7.41k V/cm的外加电场下，相变过程中的宏观电卡效应中的熵变为 1.18 JK-1kg-1。这种显著的反铁电特性和巨大的介电常数使得3-毗咯啉金翁三 漠化镉晶体成为高能储存电容器的优异电介质材料。第四章中，铁电材料具有反 常光生伏打特性，探索基于铁电半

5、导体的光伏材料一直是科研工作者追求的目标。其中，寻找窄带隙的铁电半导体材料是这项宏大工程的首要任务。我们设计 了一种有机-无机杂化铁电体:2-(铵甲基)毗啶金翁五碘化锑。它显示出高于室温 的居里温度(Tc=360 K),相对较大的自发极化(Ps=4mC/cm2)和非常窄的带隙 (2.03eV),这比十分热门的铁电材料Bi Fe O3的禁带宽度(E_g=2.7eV)窄的多。将铁电性引入杂化半导体材料可能是实现高性能铁电光电器件和光伏器件的可行途径。综上所述,本文开展了基于分子铁电晶体对称性允许和附加特异物 理性质的研究工作。在研究分子铁电晶体对称性允许的物理性质的基础上，本文 在分子铁电晶体中探讨旋光、反铁电性和半导体特性的