Sci. Adv.: 透明铁电体分子的可调电阻效应与电光效应

【引言】

自第一代铁电晶体罗息盐被发现以来，铁电体一直是人们的研究热点，其中分子铁电晶体作为目前记忆器件和电容器件的重要组成更是受到广泛关注。分子铁电晶体通常具有的压电效应、热释电效应和电光效应等二级效应也使其在传感器、制动器、变频器等领域有诱人的应用前景。然而，由于分子铁电晶体的低对称性，大面积制备极化方向均一的铁电体薄膜往往相当困难。在通常的薄膜生长过程中，各晶粒因生长先后顺序不同而取向不一；在外加电场下，只有部分铁电畴能参与极化。与目前发展成熟的钙钛矿型铁电体相比，铁电晶体的发展因其难以柔性化和大面积制备的特点而受到制约，这些特点亟待改进。

【成果简介】

近日来，天普大学（Temple University）任申强助理教授、东南大学熊仁根教授以及马里兰大学帕克分校（University of Maryland, College Park）Manfred Wuttig教授（共同通讯作者）等人在Science Advances上发表了题为“Tunable electroresistance and electro-optic effects oftransparent molecular ferroelectrics”的文章，重点介绍了该团队在分子铁电晶体制备方面的研究进展。该文章指出，可利用面内液相生长的方法，通过调整溶液浓度和薄膜生长环境，精确调控薄膜的厚度、平整度、均一性和电畴取向。在363 K环境中，通过调节过饱和ImClO₄溶液的蒸发速率或体系的水蒸气分压，使ImClO₄在溶液表面缓慢形核析出。水分子和咪唑分子之间形成的氢键会进一步析出稳定的薄膜结构，实现溶液表面的“外延”生长。

【图文导读】

图1：分子铁电晶体ImClO₄的形成过程及形貌。

（A）在受控温度梯度和水蒸气分压条件下的ImClO₄面内液相生长；

（B）典型生长模式下的ImClO₄薄膜生长过程光镜照片；

（C）“孪晶”生长模式下的ImClO₄薄膜；

（D）竹节形貌的ImClO4薄膜的SEM照片；

（E）外界水蒸气分压对薄膜厚度的影响。

图2：ImClO₄薄膜的机电耦合效应。

（A）ImClO₄薄膜的电滞回线；

（B-D）ImClO₄薄膜的AFM和PFM图；

（E）ImClO₄薄膜的PFM回滞曲线；

（F-G）在9.8 N外力作用下ImClO₄薄膜的压电电流和电压随时间的变化；

（H-I）应力诱导的输出电流和电压。

图3：ImClO₄薄膜的电光效应。

（A）检测光线偏振方向与角度依赖性的装置；

（B）ImClO₄薄膜投射光强的角度依赖性；

（C）正向极化与反向极化ImClO₄薄膜的光学照片；

（D）初始态、正向极化和反向极化ImClO₄薄膜的投射光谱。

图4：ImClO₄薄膜极化诱导条件下的可调电阻现象。

（A）导电AFM和PFM反映的不同极化畴的电阻变化；

（B）ImClO₄薄膜极化诱导条件下的可调电阻现象；

（C）开关状态下的I-V曲线；

（D）开关状态下的电流比；

（E）读取电压0.2 V时的器件恢复能力；

（F）循环极化检测开关状态电阻值的循环稳定性。

【小结】

该文章指出，可通过调控溶液和空气界面的温度梯度与外界水蒸气分压，制备透明连续的ImClO₄薄膜。该薄膜由竹节状的形貌构成，居里温度373.6 K，室温下可逆极化率为6.7 μC/cm²，机电响应系数d₃₃为38.8 pm/V。极化改变会导致单电畴折射率发生30%的变化，此外，通过外加电场，可使ImClO₄薄膜电阻产生20倍的变化。这种面内液相合成的ImClO₄薄膜多方面性能都极为优异，而这一合成方法无疑也将为未来分子器件的合成提供新的思路。

文献链接：Tunable electroresistance and electro-optic effects of transparent molecular ferroelectrics (Sci. Adv., , 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701008)

本文由材料人编辑部黄子芸编译，雪琰审核，点我加入材料人编辑部。

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