世界首例无金属钙钛矿型铁电体问世

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。

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”。

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。

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