JACS：雙軸向分子鐵電薄膜中極化方向超快轉向

【引言】

鐵電體在鐵電存儲器、電容器、超聲影像、壓電裝置、光電材料等領域中有應用廣泛。分子鐵電體由于制備簡單、無毒等特點是傳統陶瓷鐵電體的重要補充，多軸向分子鐵電薄膜四乙胺高氯酸鹽被認為是最有可能解決單軸分子鐵電體的性能差的材料，然而它只有在非常低的頻率下才能表現出較好的電滯回線，嚴重阻礙了分子鐵電體在鐵電存儲器中的應用。

【成果簡介】

近日，來自東南大學的熊仁根教授、游雨蒙教授（共同通訊作者）等人研究發現，雙軸向分子鐵電薄膜[Hdabco]ClO₄是有史以來能在高頻下進行極化轉換的分子鐵電薄膜，為分子鐵電材料的實際應用打開新的道路。

他們將摩爾比為1：1的dabco與HClO₄試劑溶解在乙醇溶液，經緩慢蒸發得到粉末，將粉末溶解在純凈水中形成溶解度大約100毫克/毫升的溶液，然后沉積在玻璃基板形成薄膜。結果表明，在高達10kHz的高頻下，分子鐵電薄膜依然保持矩形狀的電滯回線。

這項工作打破了分子鐵電薄膜只有在低頻下才有良好的電滯回線這一現狀，激發對高性能多軸分子鐵電薄膜進行更深入的研究。分子鐵電薄膜的多個極化方向和超快極化轉換的特點，為其在鐵電隨機存儲器等設備的實際應用鋪平道路。

【圖文導讀】

圖1. 薄膜樣品的光學顯微圖及AFM圖

（a、 b）薄膜樣品在交叉偏振光下的光學顯微鏡圖（標尺：20um）

（c）薄膜樣品表面的AFM圖

圖2.?室溫下薄膜樣品在不同交流電頻率下的電滯回線

圖2顯示了室溫下薄膜在不同頻率下的電滯回線，其中玫紅線、綠線、淺紅線、墨綠線分別代表電場頻率為4kHz、5kHz、6.7kHz、10kHz

圖3.?理論計算的不同λ晶體結構的極化強度圖

通過密度泛函理論計算方法估算極化強度與無量綱函數結構參數λ之間的函數關系。晶胞自發極化強度從中心對稱結構（λ=0時，晶胞結構為中心對稱結構）到極性結構（λ=1時，晶胞結構為極性結構）的連續演變，被繪制成與無量綱結構參數λ的函數。

圖4.?薄膜樣品極化方向仿真模擬圖

（a）室溫下晶胞（黑色實線構成的輪廓）的極化方向(綠色箭頭[010]方向)與四方順電相晶胞的[110]方向一致（綠色實線構成的輪廓）

（b）四方樣品中四個可能等效的極化方向

圖5.?水平模式下薄膜樣品PFM顯微圖及相位、振幅與偏壓的關系圖

（a、c）是薄膜樣品PFM垂直模式顯微圖

（b、d）薄膜振幅圖像

（e、f）特定點的相位和振幅是偏壓的函數，表示該點的電滯回線

圖6.?薄膜樣品PFM在形貌、振幅、相模式下的顯微圖

圖6為薄膜樣品的極化鐵電疇的實驗結果，板上每一縱列被按照順序進行排列，首先是形貌圖像（左側），然后垂直觀測面PFM振幅圖（中間），最后是薄膜表面圖（右側）。

（a）初始狀態

（b）在-40v電壓下第一次轉向后的掃描顯微圖

（c）在+40V偏壓下第二次轉向后的掃描顯微圖

（d）在-60V偏壓下第三次轉向后的掃描顯微圖

（e）在+35V偏壓下反轉后的掃描顯微圖

【小結】

室溫下分子鐵電薄膜[Hdabco]ClO₄存在超快極化轉向，在高達10 kHz的高頻下其電滯回線依然能夠保持良好的矩形狀，這為分子鐵電薄膜在鐵電存儲器等實際應用開辟道路。分子鐵電薄膜因其易制備，質量輕，環境友好型，超快的極化轉向將使其成為應用于新一代電子產品的最佳候選。

文獻鏈接：Ultrafast Polarization Switching in a Biaxial Molecular Ferroelectric Thin Film: [Hdabco]ClO₄?(dabco = 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane)（J. Am. Chem. Soc, 2016,?DOI: 10.1021/jacs.6b10595）

本文由材料人電子電工學術組靈琦供稿，材料牛整理編輯。

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