分子鐵電的對稱性與物理性質(zhì)

1、分子鐵電的對稱性與物理性質(zhì)分子鐵電晶體，是由分子或分子離子通過范德華力、靜電力等作用聚集而形 成的電介質(zhì)晶體。分子鐵電作為電子技術(shù)領(lǐng)域重要的功能性材料，其極性晶體結(jié) 構(gòu)可以呈現(xiàn)自發(fā)電極化,并且自發(fā)極化的方向能隨外電場方向改變。這種特殊的 晶體結(jié)構(gòu)可以具有非揮發(fā)鐵電開關(guān)效應(yīng)、壓電性、熱釋電性和非線性光學(xué)效應(yīng)等 特性。從近年來有關(guān)分子鐵電的研究成果可以看出，關(guān)于分子鐵電相變對稱性的研 究日趨成熟。鐵電相變過程中的結(jié)構(gòu)對稱性破缺、各種物理性質(zhì)（介電、壓電， 非線性光學(xué)和熱釋電等）的對稱性變化等研究逐步成為研究分子鐵電的系統(tǒng)方法 學(xué)。然而，鐵電相變的對稱性破缺所產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)不止以上提及的物理性質(zhì)的演

2、化。隨著近年來新技術(shù)的發(fā)展，圍繞分子鐵電晶體的對稱性和物理性質(zhì)的研究亟 待需要在新技術(shù)的基礎(chǔ)上建立新的表征方法，發(fā)展和掌握原位、實(shí)時、微區(qū)物理 性質(zhì)測量技術(shù)已成為分子鐵電研究的前沿領(lǐng)域。在本論文中，我們設(shè)計、合成了 三類新型分子鐵電多功能材料?；诓牧系膯尉Щ虮∧さ刃螒B(tài)，我們研究了這些 鐵電晶體對稱性允許的物理性質(zhì)，例如介電、壓電、SHG，熱釋電和鐵電等特性。除此之外，我們還將額外的物理性質(zhì)引入分子鐵電晶體當(dāng)中。通過分子設(shè)計 與晶體工程，分子鐵電材料可以實(shí)現(xiàn)諸多有趣的功能。例如具有旋光開關(guān)特性的 光學(xué)活性分子鐵電體，具有反鐵電特性的分子鐵電體，具有窄帶隙半導(dǎo)體特性的 分子鐵電體。這些物理性質(zhì)在

3、一定程度上豐富了分子鐵電的研究范圍，并為分子鐵電與其 它研究領(lǐng)域的結(jié)合提供了一定的材料支持和技術(shù)積累。第二章中，通過引入單一 手性有機(jī)分子作為極性組分，我們成功構(gòu)建了一系列具有光學(xué)活性的多軸分子鐵 電體。我們發(fā)現(xiàn)(R)-(-)-3-羥基奎寧環(huán)鹵化物系列中的鐵電性是由于單一手性有 機(jī)分子的螺旋排列導(dǎo)致的。由于存在來自分子手性和空間螺旋排列這兩種旋光起源在相變前后的貢獻(xiàn) 不同，(R)-(-)-3-羥基奎寧環(huán)鹵化物系列的晶體比旋光度和旋光方向都會在在順 電-鐵電相變過程中發(fā)生變化。這種旋光開關(guān)特性為開發(fā)新型有機(jī)電光元件提供 了嶄新的思路。第三章中,我們探究了有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦3-毗咯啉金翁三漠 化

4、鎘晶體中可以存在極化反平行偶極子陣列，并且呈現(xiàn)出清晰的雙電滯回線的反 鐵電特性。不僅如此,該晶體還具有優(yōu)異的鐵電性(高達(dá)7.0 M C/cm2的自發(fā)極化)。就我 們所知，這是在有機(jī)-無機(jī)鈣鈦礦中首次發(fā)現(xiàn)了這種連續(xù)的鐵電-反鐵電-順電的 連續(xù)相轉(zhuǎn)變。此外，在相變過程中我們還觀察到，即使在1 MHz的高頻下,介電常 數(shù)依然高達(dá)1600。同時，在7.41k V/cm的外加電場下，相變過程中的宏觀電卡效應(yīng)中的熵變?yōu)?1.18 JK-1kg-1。這種顯著的反鐵電特性和巨大的介電常數(shù)使得3-毗咯啉金翁三 漠化鎘晶體成為高能儲存電容器的優(yōu)異電介質(zhì)材料。第四章中，鐵電材料具有反 常光生伏打特性，探索基于鐵電半

5、導(dǎo)體的光伏材料一直是科研工作者追求的目標(biāo)。其中，尋找窄帶隙的鐵電半導(dǎo)體材料是這項(xiàng)宏大工程的首要任務(wù)。我們設(shè)計 了一種有機(jī)-無機(jī)雜化鐵電體:2-(銨甲基)毗啶金翁五碘化銻。它顯示出高于室溫 的居里溫度(Tc=360 K),相對較大的自發(fā)極化(Ps=4mC/cm2)和非常窄的帶隙 (2.03eV),這比十分熱門的鐵電材料Bi Fe O3的禁帶寬度(E_g=2.7eV)窄的多。將鐵電性引入雜化半導(dǎo)體材料可能是實(shí)現(xiàn)高性能鐵電光電器件和光伏器件的可行途徑。綜上所述,本文開展了基于分子鐵電晶體對稱性允許和附加特異物 理性質(zhì)的研究工作。在研究分子鐵電晶體對稱性允許的物理性質(zhì)的基礎(chǔ)上，本文 在分子鐵電晶體中探討旋光、反鐵電性和半導(dǎo)體特性的