​東南大學團隊成功製備世界首例無金屬鈣鈦礦型鐵電體

　　近日，東南大學熊仁根團隊、遊雨蒙課題組在分子鐵電材料領域再次取得重要研究進展。相關研究結果以「Metal-Free Three-Dimensional Perovskite Ferroelectrics（無金屬三維鈣鈦礦鐵電體）」為題於美國東部時間2018年7月13日被世界頂級學術期刊「Science（科學）」雜誌在線發表。

　　常見的鈣鈦礦材料主要有兩種，無機鈣鈦礦和有機-無機雜化型鈣鈦礦。這兩類鈣鈦礦材料均帶有金屬元素，雖然金屬元素的出現賦予了鈣鈦礦材料某些功能性優勢，但也加大了其加工、製備的困難。除此以外，某些金屬元素（比如鉛）更是會造成嚴重的環境問題。

　　因此，人們一直在尋找鈣鈦礦家族中的第三類——全有機鈣鈦礦材料，因為當材料中所有的金屬陽離子都被分子所代替後，材料不但會展現出某些「神奇」的性質，同時其製備加工難度也會大大降低，更加適應新時期對材料的薄膜、柔性、生物兼容等方面的要求。

　　國際頂級學術期刊「Science」曾在2002年預言過無金屬鈣鈦礦材料的種種新奇特性。其中，明確提出了利用手性分子組裝具有手性對映體的無金屬鈣鈦礦材料。所謂的手性，是指一個物體不能與其鏡像相重合。比如我們的雙手，左手與互成鏡像的右手不重合。手性是宇宙間的普遍特徵，不光體現在生命的產生和演變過程中，甚至在基本粒子中也存在著「手性」。楊振寧先生和李政道先生1957年獲得諾貝爾獎的成果，就與手性相關。但是，十餘年過去，無金屬鈣鈦礦材料的發展一直止步不前。

　　東南大學的分子鐵電團隊，經過刻苦攻關，利用帶電分子集團取代無機離子，成功地製備出了一大類共計23種全有機新型鈣鈦礦材料。其中，共有17種材料顯示出了良好的鐵電性，尤其是本次發現的MDABCO-NH4I3，不但具有接近無機陶瓷鐵電體鈦酸鋇（BTO）的極化強度（Ps），其相變溫度甚至超過BTO約50攝氏度，具有極高的應用前景。同時，與無機鈣鈦礦鐵電體類似，這類新型無金屬鈣鈦礦鐵電體也具有多重極化軸，以MDABCO-NH4I3為代表，高達四重極軸帶來了多達八個可選擇的極化方向，和巨大的薄膜應用潛力。

　　更值得一提的是，團隊合成了4種材料的左手對映體、右手對映體及外消旋化合物，並分別證明了它們的鐵電性。在歷史上，像這樣左手性、右手性和無手性的化合物同時具有鐵電性的例子從未有過報導。結合全有機鈣鈦礦材料多變的結構和組分、獨特的鐵電性質以及手性對映體對於光的不同，這類材料也將在數據存儲、邏輯運算、光量子通信、光學雷達、能源轉換等應用中嶄露頭角。

　　這一研究成果被《科學》發表，不但將十餘年前的預言變成了現實，為鈣鈦礦這一重要的材料家族增添了新的成員，同時也為鐵電材料的研究帶來了新的思路和方向，更是標誌著我國在分子材料領域又一次走在了世界前列。

　　這一論文同時也是江蘇省「分子鐵電科學與應用」重點實驗室（前身為東南大學有序物質科學研究中心）的一項重要成果。本文的第一作者葉恆雲（現單位為江西理工大學，共同第一作者）、湯淵源博士（共同第一作者）、李鵬飛博士（共同第一作者）以及合作者高繼興博士、花秀妮博士、石萍萍老師、遊雨蒙教授（共同通訊作者）、熊仁根教授（共同通訊作者）等均來自該實驗室。重點實驗室的前身為熊仁根教授2006年組建的東南大學有序物質科學研究中心，該重點實驗室也是東南大學「生物電子學」國家重點實驗室的組成部分。在熊仁根教授的帶領下，團隊以分子基鐵電材料作為主要研究方向，大量研究成果被國際頂級學術期刊發表，並獲得了包括國家自然科學二等獎在內的多個獎項。重點實驗室也成為了一支 「領跑」分子鐵電研究的優秀團隊。值得一提的是，本次的研究結果也是自2013年、2017年以來該團隊在國際頂尖期刊《科學》上以東南大學為第一完成單位發表的第三篇論文。

　　（來源：江蘇教育頻道/黃迪 仇煜 編輯/韓瑜）