由于对于无机铁电材料生产过程中所带来的环境（尤其是重金属污染）、能源和成本等问题的担忧，人们开始考虑铁电材料的未来发展。而我们所研究的有机单组份(SC)铁电材料，因其具有重量轻、弹性好、成本低、与人体声阻抗相匹配等优点，有望成为无机铁电材料的有益补充。近年来，分子铁电研究集中在有机铵盐和有机-无机杂化材料，并取得令人瞩目的成就。同时，研究者们从未停止寻找低分子量有机单组分(SC)铁电材料的脚步，但已报道的具有高相变温度的有机单组分(SC)铁电却屈指可数。更重要的是，低分子质量的有机单组分具有较低的声阻抗特性，这也使有机单组分(SC)铁电体在超声和放射成像领域有较理想的应用前景。
(a) R-CSAI的分子结构, (b) S-CSAI的分子结构。黑色虚线表示镜面。
近日，国际有序物质科学研究院科研团队基于“铁电化学”的基本原理，将“准球型理论”与引入手性的策略相结合，成功设计并合成出了一对具有高相变温度、声阻抗与人体相匹配的有机单组分铁电晶体：(R and S)-10-camphorsulfonylimine (R-CSAI and S-CSAI)。晶体学表征表明R-CSAI 和 S-CSAI具有422F2的铁电相变，DSC、变温介电和SHG及电滞回线测试给出其铁电-顺电相变的证据。DSC显示其相变温度为429 K，成为已知的具有最高相变温度的有机SC铁电体，甚至超过了无机铁电体BaTiO3（393 K）。电滞回线验证了其铁电性。多晶薄膜上的压电力显微镜（PFM）测试证实了其多轴铁电特性，box-in-box的铁电畴翻转表明了其铁电极化反转性质。最重要的是，它们都具有Z0（单位为106 kg·s-1·m-2）值为2.45的声阻抗，低于PVDF（3.69），可以很好地与人体组织相匹配，在医疗领域具有巨大的应用潜力。这一发现不仅对设计具有良好应用前景的高性能铁电材料起到很大的启发作用，而且为潜在的柔性智能器件提供一种替代方案。
(a)DSC曲线 (b)介电常数关于温度变化曲线 (c)PFM振幅、相位、形貌图及相位振幅随电压的变化图 (d)SHG强度随温度变化 (e)电滞回线 (f)铁电畴转换 (g)声阻抗对比图
研究成果以“Highest-Tc Single-Component Homochiral Organic Ferroelectrics”为题，发表于化学领域顶级期刊Chemical Science（《化学科学》）。
