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Inorganic Chemistry

无金属钙钛矿铁电体制备成功

发现钙钛矿家族新成员——可能找到了应用于电子器件的质轻、价廉的有机材料

by Mitch Jacoby
July 12, 2018 | APPEARED IN VOLUME 96, ISSUE 29

铁电材料在外加电场下具有一些独特的性质:它们会表现出自发极化现象,意味着在其晶体结构内正负电荷可以快速分离。这一性质使其成为能量储存、医学成像以及关闭状态也能保留信息的计算机存储器等众多应用领域的理想材料。

利用尝试错误实验改进设计策略,研究者发现了一系列无金属铁电材料。这一发现可能为开发轻质、柔性、低价的存储器件、电容器以及其他类型的电子器件铺平道路。 (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aas9330)。

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Credit: Yu-Meng You/Universidad del Sudeste
Una perovskita sin metales, con triyoduro y un grupo diazabiciclo, y un compuesto relacionado con bromuro (arriba y abajo, respectivamente), se asemejan al titanato de bario (en medio) en términos de estructura y propiedades ferroeléctricas.

目前用于器件中的常见铁电体包括钛酸钡(BaTiO3 或简称 BTO)、钛酸铅以及其它具有钙钛矿结构和组成,遵循化学分子式ABX3的陶瓷。虽然这些材料在工业上被广泛应用,但是其生产成本昂贵,并且通常含有铅或其它有毒重金属。由于这些原因,科学家一直在探索无金属钙钛矿,也成功地制备了一些。但是这些化合物往往只表现出弱铁电性质,不具备应用价值。

现在,一支由中国东南大学游雨蒙和熊仁根领导的研究团队制备出了23种无金属钙钛矿,其中一些在铁电性质上可以和钛酸钡媲美。

传统钙钛矿由大小两种金属正离子构成,在化学通式中分别由AB表示。离子的大小差异是这些材料电子行为的重要属性之一。。其他一些因素也起到重要作用,譬如范德华力以及晶体中离子和分子相互作用。

根据这一信息,该团队开发了一种设计方案,用于制造化学通式为A(NH4)X3无金属钙钛矿铁电体(A为二价有机阳离子,X为卤素)。他们将合成方案带入实验室,用各种有机试剂和无机铵盐及卤酸进行反应。

该研究制备的23种无金属钙钛矿中,有一种被命名为MDABCO–NH4I3,含有一个二氮杂双环基团,看起来特别有潜力。这种钙钛矿显示出大的自发极化值:22微库仑/平方厘米,与钛酸钡的值26相近。这一新化合物看起来也特别稳定,可以在高达448K的相转变温度下保持铁电性,超过了钛酸钡390K的温度极限。

“这些结果令人惊叹,”——是在传统铁电钙钛矿氧化物发展70年后的一座里程碑。南开大学无机功能材料专家李伟博士如是评价。他补充到,材料中的有机成分可以被修饰以调节晶体的性质,使得这些材料易于制备,并且质轻、价廉——所有这些可能很快就会有应用前景。

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