鑽石舞台

創新點：課題組利用溶劑選擇性效應實現了有機單分子鐵電體5-碘-2-金剛烷酮（I-OA）在單斜和正交晶相間的可逆轉變，從而精準調控其相關物理性能如壓電響應d33、鐵電極化（Ps）及二次諧波（SHG）響應（圖1）。這一有趣現象被發現與溶劑極性密切相關。該工作為有機單分子鐵電材料的化學設計及性能優化提供了新思路。

關鍵詞：Advanced Science，溶劑選擇性效應，有機單分子鐵電體，同質異晶

以無機陶瓷鈦酸鋇（BTO）和鈦酸鋯鉛（PZT）等為代表的鐵電材料，已廣泛應用於諸多電子應用，如換能器、存儲器、致動器和傳感器等。然而，面對環境、能源和成本的挑戰，材料科學的研究重點已逐步從無機及有機-無機雜化系統轉向純有機系統。其中，有機單分子鐵電體因其質輕、易降解、聲阻抗與人體相匹配、生物相容性好、可溶液加工、結構可調及環境友好等獨特優勢，有望成為無機陶瓷的有益補充，尤其在微型機器人、柔性/可穿戴電子器件和體內植入生物醫學設備等領域具有廣闊的應用前景。

有機鐵電體作為一類晶體化合物，通常為溶液法生長。溶劑作為晶體生長的重要媒介，不僅可以溶解溶質，還將參與結晶過程。故溶劑的改變可能會導致晶體結構及晶相的變化，從而顯著地改變晶體的物理性質。這為有機鐵電體的設計及性質優化提供了新思路。然而，對於大多數晶態化合物來說，溶劑的改變不會影響其晶相及物理性能，尤其是目前發現的可以通過溶劑選擇性效應對物性進行調控的有機鐵電體數量極少，其作用機理也尚不明晰。

受到近年來化學設計實現有機鐵電材料的精準設計及物性調控的啟發，張含悅課題組以OA為母體，在OA分子的5號位點引入鹵族元素，逐步降低分子對稱性，設計了一例有機單分子鐵電體I-OA（圖1）。值得注意的是，研究表明I-OA鐵電體在以乙酸乙酯（EA）為代表的低極性溶劑中結晶，得到的晶體mono-I-OA在室溫下結晶於單斜晶系P21空間群中。壓電力顯微鏡（PFM）和P–E電滯回線測試表明mono-I-OA具有明確的鐵電特性，但其物理性能不太理想。課題組通過改變溶劑，利用以乙醇為代表的高極性溶劑對I-OA進行重結晶，得到了mono-I-OA的同質異晶體orth-I-OA。Orth-I-OA在室溫下結晶於正交晶系的Pna21空間群中。與其同質異晶體mono-I-OA相比，orth-I-OA的物理性能得到了明顯優化，即更強的SHG響應、更大的壓電係數d33（5 pC N−1）及更大的Ps值（3.43 μC cm−2）。同時，PFM測試為orth-I-OA的鐵電性提供充分證明。值得注意的是，這一有趣現象被發現與溶劑極性密切相關（圖2）。

為了研究通過溶劑選擇性效應誘導得到的mono-I-OA和orth-I-OA兩晶相的穩定性，課題組還對其進行了分子間作用力能的計算（圖3）。理論計算表明，兩晶相的分子間作用力能相近，相近的分子間作用力能為兩晶相間的相互轉化提供了可能。因此，課題組傾向於從動力學角度來解釋在I-OA鐵電體中出現的溶劑選擇性效應，即溶劑分子對某些特定晶面存在擇優吸附，進而改變晶相及物性，這與Berkovitch-Yellin等人的推測相類似。

此項研究將為有機小分子鐵電材料的物性優化提供了新策略，並為微型機器人、柔性可穿戴電子器件及植入式生物醫療設備的應用提供了理想的功能材料。東南大學碩士研究生徐蕾為該文的第一作者，張含悅副研究員為該文的通訊作者。該工作在熊仁根教授所提出的「鐵電化學」框架下展開，並得到其大力支持。