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本網(wǎng)訊（國際有序物質(zhì)科學(xué)研究院）近日，在《鐵電化學(xué)》理論框架指導(dǎo)下，南昌大學(xué)國際有序物質(zhì)科學(xué)研究院宋賢江教授、陳曉剛教授等利用氫/氟取代策略，設(shè)計合成出首例本征的二維范德華分子鐵電體。研究成果以“A 2D Van Der Waals Molecular Ferroelectric”為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。該工作由南昌大學(xué)獨立完成。

鐵電材料憑借其可切換的自發(fā)電極化特性，在高密度存儲器、傳感器等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。隨著電子器件日益趨于微型化、集成化和輕薄化，越來越要求鐵電材料能夠以納米級厚度的超薄薄膜形式應(yīng)用。傳統(tǒng)的三維鐵電體由于薄膜尺寸效應(yīng)、退極化場的影響以及界面上普遍存在的懸掛鍵和缺陷極等，在納米尺度上很難保持鐵電性。二維范德華（vdW）鐵電體的出現(xiàn)為解決這一難題提供了新方向。這類材料具有穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)以強(qiáng)化學(xué)鍵連接，層間則通過弱范德華力結(jié)合，不僅易于機(jī)械剝離至原子級厚度，還能與其他基底實現(xiàn)無界面問題的集成，被視為后摩爾時代電子元件的重要候選材料。但遺憾的是，已發(fā)現(xiàn)的本征二維范德華鐵電體數(shù)量極少，且主要局限于過渡金屬硫/硒磷酸鹽和單硫族化合物等無機(jī)材料（如CuInP?S?），構(gòu)建新型二維范德華鐵電體始終是該領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)。

圖1. H/F取代策略設(shè)計二維范德華分子鐵電體的示意圖。母體化合物丙酸鈉具有二維范德華層狀結(jié)構(gòu)，但室溫結(jié)晶在中心對稱的P21/m空間群，不滿足鐵電體極性晶體對稱性的要求，在外電場（E）下表現(xiàn)出普通電介質(zhì)的極化（P）隨E變化的線性行為（上）。對丙酸鈉中的丙酸進(jìn)行H/F取代后，得到的2,2,3,3-四氟丙酸鈉保持二維范德華層狀結(jié)構(gòu)，并且室溫結(jié)晶于極性的P21空間群，具有鐵電性，其極化P在外電場E下表現(xiàn)出鐵電體的電滯回線（下）。

針對上述問題，宋賢江、陳曉剛等利用《鐵電化學(xué)》理論框架中的H/F取代策略，通過對中心對稱的母體化合物丙酸鈉進(jìn)行H/F取代，成功設(shè)計并合成出一例新型二維范德華分子鐵電體——2,2,3,3-四氟丙酸鈉。如圖1所示，母體化合物丙酸鈉具有獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)：單層內(nèi)的分子通過包括配位鍵在內(nèi)的強(qiáng)化學(xué)鍵緊密連接，層間則依靠弱范德華力堆疊。然而，丙酸鈉室溫結(jié)晶在中心對稱的P21/m空間群，不是鐵電體。對丙酸鈉中的丙酸進(jìn)行H/F取代后，2,2,3,3-四氟丙酸鈉保持二維范德華層狀結(jié)構(gòu)，室溫晶體對稱性卻變?yōu)闃O性的P21空間群，表現(xiàn)出鐵電性。值得注意的是，2,2,3,3-四氟丙酸鈉鐵電體的結(jié)構(gòu)特征區(qū)別于傳統(tǒng)二維有機(jī)-無機(jī)雜化鈣鈦礦鐵電體的層內(nèi)弱相互作用，與CuInP?S?等無機(jī)二維范德華鐵電體的層內(nèi)的強(qiáng)成鍵特性相似，是一例本征的二維范德華分子鐵電體。通過微機(jī)械剝離得到9 nm厚的2,2,3,3-四氟丙酸鈉薄片上仍然能實現(xiàn)清晰的疇翻轉(zhuǎn)，保持了很好的鐵電性。

這項研究工作是《鐵電化學(xué)》理論框架指導(dǎo)化學(xué)設(shè)計新型分子鐵電體的又一成功例子，填補(bǔ)了分子基本征二維范德華鐵電體的研究空白，更為開發(fā)具有本征二維鐵電性能的分子材料提供了全新思路。

論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202507450

審校：許航、涂金鳳、朱文芳、歐陽仟