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“多則異”:富勒烯加合物C60S8分子鐵電體的發(fā)現(xiàn)

作者:艾勇時(shí)間:2023-10-12
攝影 艾勇 單位
  

本網(wǎng)訊(通訊員艾勇)近日,南昌大學(xué)艾勇教授與廖偉強(qiáng)教授在分子鐵電材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展,根據(jù)“多則異”的思想設(shè)計(jì)并合成了富勒烯加合物C60S8分子鐵電體,相關(guān)研究成果以“Discovery of Ferroelectricity in the Fullerene Adduct C60S8”為題發(fā)表于Journal of the American Chemical Society。

富勒烯是一種由碳原子組成的球狀分子,擁有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì),備受材料科學(xué)和納米技術(shù)界的關(guān)注。鐵電體是一類(lèi)極化方向在外電場(chǎng)下可重取向的電偶極活性材料,和人們熟知的鐵元素沒(méi)有關(guān)系。研究富勒烯的鐵電性質(zhì)對(duì)于拓展其在電子器件和存儲(chǔ)技術(shù)等領(lǐng)域的應(yīng)用非常重要。在以往的研究中,研究人員通過(guò)計(jì)算預(yù)測(cè)了金屬內(nèi)嵌富勒烯的鐵電性,也有學(xué)者報(bào)道了富勒烯Gd@C82單分子駐極體呈現(xiàn)出類(lèi)似鐵電性的極化翻轉(zhuǎn)特性。然而,富勒烯的鐵電性質(zhì)目前仍未得到充分研究和應(yīng)用,主要原因是富勒烯分子的高對(duì)稱(chēng)性。

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圖1、“多則異”:富勒烯加合物鐵電體C60S8的設(shè)計(jì)思路。C60和S8在外電場(chǎng)(E)下表現(xiàn)出普通電介質(zhì)的極化(P)隨E變化的線(xiàn)性行為(左下),而C60S8的極化P在外電場(chǎng)E下可重新取向(右下,兩種箭頭方向代表兩種極化方向),并且其鐵電疇可翻轉(zhuǎn)(右下,方框中兩種顏色區(qū)域代表不同極化方向的鐵電疇)。

鐵電相變伴隨著空間對(duì)稱(chēng)性的破缺,偶極有序排列引起的自發(fā)極化,僅存在于10個(gè)極性晶體點(diǎn)群(1 (C1),2 (C2), m (Cs), mm2 (C2v),4 (C4),4mm (C4v),3 (C3),3m (C3v),6 (C6),6mm (C6v))中。根據(jù)Philip Anderson的“多則異”理念,如圖1所示,南昌大學(xué)艾勇教授與廖偉強(qiáng)教授設(shè)計(jì)、合成了富勒烯加合物C60S8,利用富勒烯C60與S8分子的范德華相互作用,為偶極取向操縱提供了機(jī)會(huì)。盡管C60和S8分子各自具有較高的分子對(duì)稱(chēng)性(IhD4d),它們的組合導(dǎo)致了低對(duì)稱(chēng)性加合物C60S8結(jié)晶在C2Vmm2)點(diǎn)群。研究表明,C60與S8的分子間相互作用導(dǎo)致了微小的結(jié)構(gòu)扭曲和晶格重疊,從而引起晶體的極性。C60S8在230 K經(jīng)歷了從極性到極性的相變,屬于mm2Fm(C2vP?FCs)型鐵電相變,電滯回線(xiàn)測(cè)試和鐵電疇翻轉(zhuǎn)進(jìn)一步證實(shí)了它的鐵電性質(zhì)。

這項(xiàng)研究工作是熊仁根教授提出的“鐵電化學(xué)”思想指導(dǎo)化學(xué)設(shè)計(jì)分子鐵電體的又一成功例子,不僅激發(fā)了設(shè)計(jì)鐵電富勒烯和其他新型分子鐵電材料的靈感,還為“多則異”的分子設(shè)計(jì)理念的發(fā)展增添了新的元素。


論文鏈接:

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


編    輯:程慧萍

責(zé)任編輯:涂金鳳

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