Sci. Adv.: 透明鐵電體分子的可調電阻效應與電光效應

【引言】

自第一代鐵電晶體羅息鹽被發現以來，鐵電體一直是人們的研究熱點，其中分子鐵電晶體作為目前記憶器件和電容器件的重要組成更是受到廣泛關注。分子鐵電晶體通常具有的壓電效應、熱釋電效應和電光效應等二級效應也使其在傳感器、制動器、變頻器等領域有誘人的應用前景。然而，由于分子鐵電晶體的低對稱性，大面積制備極化方向均一的鐵電體薄膜往往相當困難。在通常的薄膜生長過程中，各晶粒因生長先后順序不同而取向不一；在外加電場下，只有部分鐵電疇能參與極化。與目前發展成熟的鈣鈦礦型鐵電體相比，鐵電晶體的發展因其難以柔性化和大面積制備的特點而受到制約，這些特點亟待改進。

【成果簡介】

近日來，天普大學（Temple University）任申強助理教授、東南大學熊仁根教授以及馬里蘭大學帕克分校（University of Maryland, College Park）Manfred Wuttig教授（共同通訊作者）等人在Science Advances上發表了題為“Tunable electroresistance and electro-optic effects oftransparent molecular ferroelectrics”的文章，重點介紹了該團隊在分子鐵電晶體制備方面的研究進展。該文章指出，可利用面內液相生長的方法，通過調整溶液濃度和薄膜生長環境，精確調控薄膜的厚度、平整度、均一性和電疇取向。在363 K環境中，通過調節過飽和ImClO₄溶液的蒸發速率或體系的水蒸氣分壓，使ImClO₄在溶液表面緩慢形核析出。水分子和咪唑分子之間形成的氫鍵會進一步析出穩定的薄膜結構，實現溶液表面的“外延”生長。

【圖文導讀】

圖1：分子鐵電晶體ImClO₄的形成過程及形貌。

（A）在受控溫度梯度和水蒸氣分壓條件下的ImClO₄面內液相生長；

（B）典型生長模式下的ImClO₄薄膜生長過程光鏡照片；

（C）“孿晶”生長模式下的ImClO₄薄膜；

（D）竹節形貌的ImClO4薄膜的SEM照片；

（E）外界水蒸氣分壓對薄膜厚度的影響。

圖2：ImClO₄薄膜的機電耦合效應。

（A）ImClO₄薄膜的電滯回線；

（B-D）ImClO₄薄膜的AFM和PFM圖；

（E）ImClO₄薄膜的PFM回滯曲線；

（F-G）在9.8 N外力作用下ImClO₄薄膜的壓電電流和電壓隨時間的變化；

（H-I）應力誘導的輸出電流和電壓。

圖3：ImClO₄薄膜的電光效應。

（A）檢測光線偏振方向與角度依賴性的裝置；

（B）ImClO₄薄膜投射光強的角度依賴性；

（C）正向極化與反向極化ImClO₄薄膜的光學照片；

（D）初始態、正向極化和反向極化ImClO₄薄膜的投射光譜。

圖4：ImClO₄薄膜極化誘導條件下的可調電阻現象。

（A）導電AFM和PFM反映的不同極化疇的電阻變化；

（B）ImClO₄薄膜極化誘導條件下的可調電阻現象；

（C）開關狀態下的I-V曲線；

（D）開關狀態下的電流比；

（E）讀取電壓0.2 V時的器件恢復能力；

（F）循環極化檢測開關狀態電阻值的循環穩定性。

【小結】

該文章指出，可通過調控溶液和空氣界面的溫度梯度與外界水蒸氣分壓，制備透明連續的ImClO₄薄膜。該薄膜由竹節狀的形貌構成，居里溫度373.6 K，室溫下可逆極化率為6.7 μC/cm²，機電響應系數d₃₃為38.8 pm/V。極化改變會導致單電疇折射率發生30%的變化，此外，通過外加電場，可使ImClO₄薄膜電阻產生20倍的變化。這種面內液相合成的ImClO₄薄膜多方面性能都極為優異，而這一合成方法無疑也將為未來分子器件的合成提供新的思路。

文獻鏈接：Tunable electroresistance and electro-optic effects of transparent molecular ferroelectrics?(Sci. Adv., , 2017, DOI: 10.1126/sciadv.1701008)

本文由材料人編輯部黃子蕓編譯，雪琰審核，點我加入材料人編輯部。

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