硕士生一作!南京邮电大学,Nature Chemistry!

有机铁电材料可在外电场作用下实现自发极化翻转，因而受到广泛关注，在信息传感、数据存储、能量转换与储能、驱动器等领域具有重要应用。同时，这类材料可溶液加工、质轻且本身具备柔性，是柔性可穿戴电子器件的理想候选材料。

但与无机铁电材料相比，有机铁电体的铁电性能存在明显短板：晶体内偶极会发生部分抵消，导致极化强度偏低、居里温度不高，进而限制了其应用场景与器件性能。因此，研制高居里温度、高极化强度的高性能有机铁电体，成为该领域的研究重点。

材料具备铁电性通常需要满足三项基本条件：第一，晶体结构中必须存在极性基元，一般为离子、极性基团或极性分子；第二，极性基元的偶极需呈周期性排布，即形成高长程有序态，偶极间的相互作用直接决定居里温度、极化强度、矫顽场等核心参数；第三，长程有序排列的偶极，其极化方向可在外电场下实现翻转。

对于有机分子体系而言，满足“存在偶极基元”与“极化方向可翻转”这两个条件相对容易，难点在于实现偶极的高效规整排布与长程有序。一方面，有机晶格内偶极矩易相互抵消，造成整体极化强度下降；另一方面，有机铁电体中极性基元的结合作用较弱，升温后分子取向易趋于无序，最终表现为居里温度远低于传统无机铁电材料（例如钛酸钡居里温度为393开尔文）。

综上，想要提升有机铁电体的极化强度与居里温度，就需要构建偶极单元协同取向、分子间作用较强的长程有序体系。

南京邮电大学柔性电子全国重点实验室、材料科学与工程学院张敬教授团队和宁波材料所何日研究员、胡本林研究员团队设计并合成了一类由V型给体-受体单元构筑的共晶，分子整体形成齿轮状堆积结构。该共晶呈现各向异性极性：在π-π相互作用方向上，极性完全抵消；而在与之垂直的方向上，偶极同向排列，表现出强极化特性。

在π-π作用方向虽无宏观极性，但给体分子被相邻两个受体分子的空间位阻紧密束缚，大幅提升了热运动能垒，因此材料得以拥有高居里温度。这种嵌套式堆积结构还具备特殊的极化翻转机制：仅需施加较小外电场，给体分子即可发生小幅转动实现极化切换；该过程类似齿轮在面内啮合转动，而非能垒更高的面外翻转。