科學家發現無機鈣鈦礦的“孿生兄弟”有機鈣鈦礦鐵電體

圖. A．無金屬鈣鈦礦鐵電體的結構示意圖。B. MDABCO-NH4I3鐵電性測試的電滯回線數據。C. 具有不同手性的R-3AQ-NH4Br3及S-3AQ-NH4Br3的結構示意圖及其振動圓二色（VCD）光譜。

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：21290172，91222101，91622113， 21573041，21571094）等資助下，東南大學的研究團隊和南昌大學等單位合作，發現了一類17種新型全有機鈣鈦礦鐵電體。研究成果以“Metal-Free Three-Dimensional Perovskite Ferroelectrics（無金屬三維鈣鈦礦鐵電體）”為題于2018年7月13日在Science（《科學》）以“article（長文）”形式在線發表。論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/361/6398/151。

　　鈣鈦礦材料是功能性材料的一個重要家族，由于其組成及結構的靈活性和多變性，可以包容多種不同類型的有機或無機離子，該類材料具有許多優異的物理、化學性質和獨特的功能特性，在能源、材料、信息、催化等多個領域都具有重大應用價值。除了自然界廣泛存在的無機硅酸鈣鈦礦外，人造無機鈣鈦礦材料如鈦酸鋇（BaTiO3，BTO）和有機-無機雜化鈣鈦礦材料由于其優異的鐵電、壓電、光電及催化等性質，一直以來都是物理、化學、材料等研究領域中的焦點之一。

　　在鈣鈦礦材料的大家庭里，除了純無機、無機-有機雜化兩種類型外，還有第三類成員，即通過有機分子基團替換金屬陽離子而構成的具有鈣鈦礦結構的有機分子材料——無金屬鈣鈦礦（Metal-Free Perovskites）。盡管 Science（《科學》）雜志曾在2002年的“Research Highlight（研究亮點）”欄目中描述了無金屬鈣鈦礦的誘人前景，但迄今為止尚無無金屬鈣鈦礦鐵電體的報道。

　　熊仁根、游雨蒙團隊報道了具有優異的鐵電特性、多重極軸及光學活性等特性的三維鈣鈦礦結構（通式A(NH4)X3，其中A為有機正離子基團，X為鹵素，見附圖A）。該團隊發現了一大類共17種新型全有機鈣鈦礦鐵電體，其中不但有鐵電性能接近并超越無機陶瓷BTO的MDABCO-NH4I3（附圖B），還有世界第一例同時具有左手、右手對映體的鐵電體R-3AQ-NH4Br3及S-3AQ-NH4Br3（附圖C），實現了十余年來人們對具有旋光性鈣鈦礦材料的期盼。首次發現包含左、右手光學活性的鐵電體，為光學偏振態的調制與操控提出新方法，也為鐵電材料在量子通信、光學工程等領域中應用開拓新途徑。