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相比于傳統的無機鐵電材料，有機鐵電材料擁有高柔韌性、抗崩損性和溶液可加工性的優點，因而是國內外一個重要的研究領域。在目前已開發的有機鐵電材料中，無金屬鈣鈦礦鐵電材料已達到與傳統無機鐵電材料相當的鐵電極化率，但它們存在一個嚴重缺陷：其矯頑力普遍僅為～10kV/cm。這導致在器件設計中，這些有機鐵電材料的厚度要達到約1μm才能保證電壓轉變區間為1～2V，因而阻礙了器件的微型化。一般而言，理想的矯頑力需在～100kV/cm量級，但目前仍缺乏有效手段來實現該目標。

近日，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授團隊與新加坡國立大學羅健平教授團隊在《自然?通訊》（Nature Communications，2022，13:794）雜志上發表了題為“Tailoring the coercive field in ferroelectric metal-free perovskites by hydrogen bonding”的研究論文。該研究提出了一種基于氫鍵作用的矯頑力調控策略，可以使無金屬鈣鈦礦鐵電材料的矯頑力從～10kV/cm量級提升至～100kV/cm，為有機鐵電器件微型化和集成化設計提供了一條重要途徑。

有機鐵電材料的分子結構和氫鍵相互作用

研究團隊設計并合成了兩種無金屬鈣鈦礦鐵電材料MDABCO-NH₄-(PF6)₃ (MDABCO=N-methyl-N'-diazabicyclo[2.2.2]octonium)和MDABCO-NH₄-I₃，分別稱為MNP₃和MNI₃。其中，有機分子MDABCO的轉動可以實現有序-無序排列的轉變，從而帶來材料的鐵電-順電相變。測量結果表明，MNP₃中的N–H…F氫鍵距離遠低于MNI₃中的N–H…I氫鍵，該氫鍵導致MDABCO的偏移量高于MNI₃。這種氫鍵作用使材料的矯頑力從MNI₃的12kV/cm提升至MNP₃的110kV/cm，實現了有機鐵電材料矯頑力調控的目標。

基于氫鍵有機鐵電材料的理論計算和相關機理

研究團隊進一步通過同位素實驗和第一性原理計算探討氫鍵作用影響矯頑力的內在機理。他們將MDABCO分子中N-H上的H替換為氘（D），發現MNP₃的矯頑力可從110kV/cm提升至138kV/cm。同時，晶胞沿[111]方向有明顯拉伸，說明氫鍵對MDABCO分子的作用力顯著。通過對氘化前后的MNP₃進行鐵電相變過程的測量，發現居里溫度在氘化后有所上升，說明了氫鍵對MDABCO分子運動的限制。核磁共振波譜測量證實MDABCO與PF₆^?之間的氫鍵可以直接影響兩者的結構變化和運動。壓電響應力顯微鏡觀測到四個鐵電疇，其在正負電壓切換過程中的180度疇翻轉和蝴蝶曲線說明MNP₃具有良好的鐵電性。第一性原理計算結果證實PF₆^?相比于I^?對MDABCO上的電子有更強的吸引力。Berrry相計算獲得了與實驗測量值吻合的理論值，且揭示了MDABCO在轉動過程中會伴隨著N–H…F氫鍵的斷裂和形成。這些結果均表明，當材料內有機分子MDABCO所受到的氫鍵作用被有效增強后，該分子在鐵電轉變過程中的轉動將會明顯受阻，從而使材料的矯頑力提升一個數量級。

新加坡國立大學的Hwa Seob Choi博士和北京大學深圳研究生院新材料學院的李舜寧副研究員為該論文的共同第一作者，潘鋒和羅健平為通訊作者。該研究得到了廣東省重點實驗室及軟科學研究計劃項目的支持。

參考資料：https://news.pku.edu.cn/xsky/6ec58ab7346c4b7883b8bacd6c00bbc6.htm