阴离子无序型及有机-无机杂化钙钛矿铁介电材料的制备与研究

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分子基铁介电材料由于具有介电、压电、铁电、热释电、铁弹、非线性光学、光电等重要性质,一直以来都是材料化学领域研究的热点。如何合理有效的设计合成出高自发极化、高剩余极化、多功能的分子基铁介电材料逐渐成为研究的重要内容。在众多分子铁介电的研究体系中,阴离子类似球形的结构容易产生有序-无序的变化,有机-无机杂化钙钛矿型的晶体结构有着更高的洛伦兹因子,更容易产生自发极化。基于以上两点,本文主要的研究方向为阴离子无序型和有机-无机杂化钙钛矿型的分子铁介电多功能材料。主要研究内容和结果如下:(1)首先讲述了晶体学方面对称性的概念,点明了对称性破缺与相变之间的关联。而后阐明了电极化的微观机理和宏观现象,并结合相变合理的解释了铁电体的特点。最后根据前人的工作提出本文的选题意义和主要研究内容。(2)合成出了一例分子铁电材料[(CH2OH)2][Cu(C12H8N2)2·SO4](1)。1在245 K左右经历了由SO42-阴离子和氢键的有序-无序引起的C2/c到Cc的对称性破缺,属于由顺电相到铁电相的转变。铁电性能测量显示最大自发极化Ps=3.27μc/cm2,矫顽场Ec=1.2 kV/cm。(3)合成了一种分子可逆相变材料[K(C12H24O6)]FeCl4(2)。该化合物在135 K左右发生可逆相变。在135 K附近的热、介电异常进一步证实了这种特殊的相变行为。其相变机理可以归结为FeCl4-的有序-无序运动。(4)合成了一种新型钙钛矿类分子铁电材料(C4H10NO2)2CdCl4(3)。该化合物的居里点Tc=355 K,最大极化强度Ps=7.2 uC/cm2。进一步研究表明,化合物3是一种直接带隙半导体,带隙值为3.88 eV。X射线单晶衍射测试在293 K和365 K的结果显示γ-氨基丁酸的扭转运动引发了顺电到铁电的相变。(5)合成了一种新型钙钛矿类分子可逆相变材料(C3H12N2O)CdCl4(4),该材料在390K发生了可逆相变。X射线单晶衍射分析表明,1,3-二氨基-2-羟基丙烷客体分子的有序-无序运动以及Cd-Cl-Cd阴离子骨架的扭转运动共同导致了可逆相变。直接带隙值为4.40 eV,表明其在半导电材料上具有潜在的应用前景。
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