研究院PNAS：发现世界首例有机单分子对映体铁电体

1920年发现的第一例铁电体罗息盐（[KNaC₄H₄O₆]·₄H₂O）是一例单一手性分子化合物，结构中包含L(+)-酒石酸分子。然而，绝大部分铁电体是无机铁电陶瓷材料，不存在手性中心。近100年来，手性铁电体基本上是多组分的有机胺盐或者金属配合物。

国际有序物质科学研究院首次报道了一对单分子有机对映体铁电体，(R)-3-奎宁环醇和(S)-3-奎宁环醇，以及外消旋体(Rac)-3-奎宁环醇。手性(R)-和(S)-3-奎宁环醇室温下结晶于对映异构极性点群C₆，振动圆二色光谱和晶体结构展示出完美的镜像关系（如图）。两种对映体均表现出622F6型铁电相变，居里温度（T_c）高达400K，远高于其他手性铁电体，媲美于经典的无机铁电体钛酸钡（393K），该相变符合手性保留规律，顺电相仍保留在手性点群（即D₆），这是手性晶体最重要的特征之一。此外，饱和极化强度（高达7 μC/cm²）与有机聚合物铁电体PVDF相当，低矫顽场（15 kV/cm）可保证铁电极化易于反转。然而，它们的外消旋体(Rac)-3-奎宁环醇结晶于非极性点群C_2h，不具有铁电性。因此，在分子晶体中引入手性有利于诱导结晶在极性点群，从而构筑高温铁电体。相关研究结果以“Organic Enantiomeric High-T_c Ferroelectrics”（有机对映体高居里点铁电体）为题发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. (《美国科学院院刊》) 杂志上。

本研究揭示了单一手性在精准设计高居里点铁电体中的巨大优势，为发展新型分子铁电体提供了合理的途径，也为进一步探索高性能多层次手性有机铁电体提供了有效途径，在存储器件和光电器件中具有广阔的应用前景。

论文链接：https://www.pnas.org/content/early/2019/03/07/1817866116