当前位置: 首页  媒体东大
【科技日报(新媒体)】世界首例无金属钙钛矿型铁电体问世
发布时间: 2018-07-14                    访问次数: 193

做B超再也不需要涂上厚厚一层的蓖麻油,柔软似皮肤的光电器件,极其微波的纳米机器人……这些看似充满梦幻的想象,却因世界首例“无金属钙钛矿型铁电体”材料的问世而变为现实。

7月13日,东南大学熊仁根团队、游雨蒙课题组在“分子铁电材料”领域再次取得重要研究进展,他们相关研究结果以“无金属三维钙钛矿铁电体”为题在世界顶级学术期刊《Science》(科学)杂志在线发表。

了解这项成果之前,我们先要知道什么是钙钛矿、铁电体和手性。否则,你肯定是一脸懵逼地进来又一脸懵逼地出去。

钙钛矿

广义上的钙钛矿是指一类陶瓷氧化物。钙钛矿材料结构式一般为ABX3,其中A和B是两种阳离子,X是阴离子。这种奇特的晶体结构让它具备了很多独特的理化性质,比如吸光性、电催化性等等,在化学、物理领域有不小的应用。钙钛矿大家族里现已包括了数百种物质,从导体、半导体到绝缘体,范围极为广泛,其中很多是人工合成的。钙钛矿如今是光伏电池的新宠,有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池光电转换效率超过20%。

在大自然中,常见的钙钛矿材料主要有两种:无机钙钛矿和有机-无机杂化钙钛矿。但是,这两类钙钛矿材料均含有金属元素,这就加大了其加工、制备的困难,而且加工出来的材料柔韧性较差,某些金属元素(比如铅)更是会造成严重的环境污染。

铁电体

铁电体是一种对外界电刺激具有一定“记忆性”的材料,其实这类材料中并不含有铁,只是具有铁电性。而铁电性一词来源于铁磁性,这里的“铁”与钢铁中的铁完全没有关系,是指自发磁化或自发极化。人们发现,铁电体的电滞回线和磁滞回线相似,于是就命名为铁电性。

近年来,铁电体的应用前景愈发看好,比如铁电存储,传统的存储介质比如磁盘、磁卡等,如果暴露在强磁场中,就会失效,而铁电存储则没有这个问题。它还可用于图象显示,目前已经研制出一些透明铁电陶瓷器件,如显示器件、光阀,全息照相器件等,就是利用外加电场使铁电畴作一定的取向。总之,在光电领域,铁电体是一类新兴的“潜力股”。

手性

所谓的手性就是指一个物体不能与其镜像相重合,两者无比相似,却永远无法重合,甚至可能有着不一样的性格和认知。比如我们的双手,左手与互成镜像的右手不重合。还有许多自然界存在的化合物分子,原子组成相同,两个分子结构从平面上没有什么不同。但在空间立体结构上稍有变化,在生理、药理活性上就有可能天差地别,甚至是左旋分子能治病,右旋分子就有可能致命。

手性可谓是大自然设计出的一个高明的“密码开关”,在自然界的各个方面,尤其是物理和化学中,都广泛地存在着许多对称的概念:带负电的电子与带正电的反电子,磁场的南极和北极,以及化学中的分解和化合反应。就连遥远的河外星系也存在着正旋和逆旋的旋涡结构。杨振宁先生和李政道先生1957年获得诺贝尔奖的成果,就与手性相关。

现在我们已经知道,钙钛矿材料应用非常普遍,从日常用品打火机到航天飞机等先进设备都需要用到这类材料。但是这两类钙钛矿材料均带有金属元素,有着天然的缺陷。多年来,人们一直在寻找钙钛矿家族中的第三类——全有机钙钛矿材料,即无金属钙钛矿。

“让钙钛矿材料脱掉金属的‘紧箍咒’,换来的是一种更宝贵的自由。” 东南大学游雨蒙教授介绍,当材料中所有的金属阳离子都被分子所代替后,材料不但会展现出某些“神奇”的性质,同时其制备加工难度也会大大降低,更加适应新时期对材料的薄膜、柔性、生物兼容等方面的要求。

早在2002年,国际顶级学术期刊《Science》就曾预言,无金属钙钛矿材料的种种新奇特性。其中,明确提出了利用手性分子组装具有手性对映体的无金属钙钛矿材料。但是,世界各国科学家苦苦研究了几十年,也没能取得突破。

东南大学的科研团队,巧妙地利用动态的晶体工程及极富创意性的“似球非球”设计理论,使带电分子集团取代无机离子,成功地制备出了一大类共计23种全有机新型钙钛矿材料。其中,共有17种材料显示出了良好的铁电性。同时,与无机钙钛矿铁电体类似,这类新型无金属钙钛矿铁电体也具有多重极化轴,由此也带来了巨大的薄膜应用潜力。

更值得一提的是,团队合成了4种材料的左手对映体、右手对映体及外消旋化合物,并分别证明了它们的铁电性。在历史上,像这样左手性、右手性和无手性的化合物同时具有铁电性的例子从未有过报道。结合全有机钙钛矿材料多变的结构和组分、独特的铁电性质以及手性对映体对于光的不同,这类材料也将在数据存储、逻辑运算、光量子通信、光学雷达、能源转换等应用中崭露头角。

这一研究成果被《科学》发表,不但将十余年前的预言变成了现实,为钙钛矿这一重要的材料家族增添了新的成员,同时也为铁电材料的研究带来了新的思路和方向,更是标志着我国在分子材料领域又一次走在了世界前列。




2018-7-14 【科技日报(新媒体)】