具有光控极化翻转特性的有机铁电晶体材料的设计与表征.pdf

摘要

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铁电材料是一种具有自发极化且其极化方向可以在外加电场的作用下实现

翻转的材料，在现代各行业中都有着非常广泛的应用，如制备超快开关、低成本

室温磁场探测器、电热冷却器、相控阵雷达、动态随机存取存储器、三维沟槽、

效应器、耦合器、医疗导向丝和智能设备等。自1920年科学家Valasek发现第

一例铁电体后的一百多年以来，经过业界人士的共同努力，铁电材料经历了数次

蓬勃发展，如今的铁电材料不仅数量繁多、种类丰富、功能多样，而且其性能也

十分优异，如陶瓷铁电体、铁电聚合物、铁电液晶、分子铁电体等等。在铁电体

材料中，有一类铁电体可以对光产生响应，可以用光来实现对铁电体的操控。光

相对于应力或电场具有非接触性、无破坏性和可远程控制等特性，但具有光控极

化翻转特性的有机分子铁电材料仍然未被充分开发。在这样的背景下，我们以水

杨醛席夫碱、二芳烯这两种光致异构光敏基团为基本功能结构，在“铁电化学”分

子铁电体定向设计理论的指导下，展开了以下工作：

其一，我们设计合成了一对新型有机单组分光致变色多铁性手性晶体材料，

(R/S)-2-(((1-(4-bromophenyl)ethyl)imino)methyl)-4,6-di-tert-butylphenol，它们在

336K的温度点可以发生Aizu符号为222F2的全铁电/铁弹相变。在紫外或者可

见光的照射下，其自发极化/应变可以在两个铁电/铁弹相之间进行快速地可逆切

换，其原因是有机分子光致异构引起的烯醇式分子构型与反酮式分子构型之间

6-1-2

的相互转换。通过声阻抗实验测量确定其声阻抗值约为2.42×10kg·s·m，比传

6-1-2

统的聚合物铁电体聚偏氟乙烯（PVDF,3.69~4.25×10kg·s·m）还要低，与人体

的声阻抗值非常接近，因此使用该材料做成的器件能更好地匹配人体组织。这项

工作实现了具有较低声阻抗单组分有机晶体的多物理通道（电场、应力场、光场）

控制和耦合，且这项工作有望在多通道数据存储、光电子学、有机电子学和生物

兼容等相关应用中发挥作用。

其二，我们发现了一对单组分有机对映体铁电/铁弹晶体材料，(R/S)-2,4-di-

tert-butyl-6-(((1-(naphthalen-1-yl)ethyl)imino)methyl)phenol，它们的特性在于其铁

电/铁弹畴不仅会在热力学（即升降温）可逆相变过程中消失和重现，而且也可

以在光触发的可逆相变过程中消失和重现，这两种相变都是在P1和P21两个极

性空间群之间相互转换。值得提出的是，其畴在发生相变后能完全恢复到其初始

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状态，这表明(R)和(S)-SA-NPh铁性材料存在畴记忆效应。这项工作实现了铁性

材料的热驱动和光驱动的多通道触发铁电/铁弹相变，而且实现了畴记忆效应。

畴记忆效应的光热控制将为智能铁性材料开辟一个全新的研究领域。

其三，我们找到一对二芳烯衍生物对映体手性铁电晶体4,4-

(perfluorocyclopent-1-ene-1,2-diyl)bis(5-methyl-N-((R/S)-1-phenylethyl)thiophene-2-

carboxamide)，它是一种由光驱动的开闭环式光致异构相变铁电晶体材料。在有

可见光环境下，它们以开环式分子构型稳定存在，样品颜色为白色，表现出两种

畴，带隙为3.26eV。然而，经过365nm或254nm等波长紫外光照射后变成闭

环式分子构型的单畴，颜色由白色变为紫色，带隙变窄至1.68eV。相对于其他

传统的铁电，这类铁电体的畴和颜色有着特定的对应关系，因此该材料不仅能用

光来将信息写入到铁电畴中或者从铁电畴中擦除，还可以通过光来读取铁电畴

的颜色以确定铁电畴的极化状态，进而读取畴中存储的信息。此外，二芳烯衍生

物铁