中科院福建物构所罗军华&孙志华JACS：自供电柔性多轴分子铁电薄膜光探测！|光学|晶体|自供电|铁电

研究内容

分子铁电薄膜（MFF）可为小型电子器件提供了一个良好的平台，而小型电子器件与其多轴特性密不可分。尽管进行了大量研究，但具有宽带光电活性的柔性MFF仍然是一个巨大的空白，因为光激发漏电流将严重恶化铁电性，阻碍其光电子应用。

基于此，中国科学院福建物质结构研究所罗军华研究员和孙志华研究员在2D多层钙钛矿中制备了多轴分子铁电体（HA2EA2Pb3I10，1，HA=正己基铵；EA=乙基铵）的MFF。旋涂的1的柔性MFF大致平行于层状钙钛矿骨架定向表现出面内自发极化（Ps=1.8 μC/cm2）和宽带吸收(∼1.83 eV）。同时实现自供电宽带探测(∼0.55 μA/cm2，637 nm照明）。相关工作以“Soft Multiaxial Molecular Ferroelectric Thin Films with Self-Powered Broadband Photodetection”为题发表在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society上。

研究要点

要点1.作者通过对称性破坏（4/mmmFm）发现在构建的多轴分子铁电体（HA2EA2Pb3I10）中观察到8个等效极化方向。这是2D多层钙钛矿中的最大值，甚至比经典陶瓷BaTiO3的更大。

要点2.通过旋涂技术制备了具有高取向和良好结晶度的柔性MFF，大致平行于层状钙钛矿骨架定向，表现出平面内自发极化（Ps=1.8 μC/cm2）和宽带吸收(∼1.83 eV）。通过压电响应力显微镜（PFM）测量，薄膜的极性转换得到了证实。

要点3.在柔性MFF上实现了自供电宽带检测(∼0.55μA/cm2，637 nm照明），显示了它们在柔性和可穿戴电子设备中的潜力。

该结果为柔性光电子器件的设计提供了依据，并为扩展2D分子铁电材料的应用提供了有效途径。

研究图文

图1.（a）1的2D三明治式结构。（b）有机双层充当屏障，无机钙钛矿片充当阱。

图2.（a）沿c轴方向不同频率下介电常数的温度变化。（b）1的可变温度SHG。插图：SHG信号的温度变量。（c）沿c轴方向，基于单晶的极化与电场（P−E）收集的铁电磁滞回线。（d）光学吸收光谱。插图：估计的带隙。（e）计算1的带隙。（f）电导率的温度变量。插图：HOMO−LUMO对电荷密度的轨道分析。

图3.（a）1的柔性铁电薄膜的光学图像。（b）基于衬底平台和理论数据的铁电薄膜的XRD图。（c）P−E磁滞回线收集在薄膜上。（d）薄膜表面的图像。（e）垂直和（f）横向振幅图像。（g）选定点的振幅/相位电压回路。（h）垂直和（i）横向相位图像。

图4.（a）基于柔性铁电薄膜的自供电光电检测的图示。（b）光照下光电流密度的电压变量。（c）100 mW/cm2照明下光电流的波长变化。（d）开/关照明开关期间光电流响应的上升和下降。

文献详情

Soft Multiaxial Molecular Ferroelectric Thin Films with Self-Powered Broadband Photodetection

Shiguo Han, Yu Ma, Lina Hua, Liwei Tang, Beibei Wang, Zhihua Sun,* Junhua Luo*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c07892

作者简介

罗军华，中科院福建物质结构研究所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。1997年本科毕业于江西师范大学化学系；2003年获中科院物构所博士学位，师从洪茂椿院士；2003-2005年从事博士后研究；分别在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct.Mater., PNAS, Nat.Commun., Chem. Sci.等国际知名期刊上发表SCI论文150多篇，多次受邀为美国化学会(JACS, CG&R和IC), 英国皇家化学会(CC, Dalton, JMC和CrystEngComm)和Wiley-VCH InterScience (Adv. Mater.,EurJIC和Chemistry-An Asian Journal)审理稿件；多次受邀在国际学术会议如国际配位化学会议、美国化学学会和材料学会年会上报告相关工作。

2009年以高层次人才引进到中科院福建物构所工作，2012年获首届国家自然科学优秀青年基金；2015年获国家杰出青年基金；2016年入选科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才。先后荣获第二十二届运盛青年科技奖，第十三届福建青年科技奖和第二届福州青年科技奖；2015年受聘为上海科技大学特聘教授；先后受聘担任美国《Crystal Growth & Design》杂志Topic Editor和中国化学快报副主编。主要从事无机/有机杂化半导体光电功能晶体材料，分子基铁电和相变晶体材料以及非线性光学晶体材料的研究，发展了系列无层状习性的硼酸盐和磷酸盐无铍深紫外非线性光学晶体材料，创新性地设计合成了基于固体对称性破缺构筑的具有非心结构的非线性倍频开关、铁电和铁电半导体等光电功能晶体材料。

孙志华，研究员，博士生导师。国家杰出青年基金获得者。本科毕业于山东大学，2010年7月获山东大学博士学位，同年进入中科院福建物质结构研究所工作，2015年12月晋升为研究员。主要从事极性光电功能晶态材料研究，重点聚焦铁电半导体化学合成，在结构设计、可控合成与光电功能化方面取得系列成果，先后以通讯/第一作者在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Comm.、Adv. Mater.、Sci. Bull.和Chem. Soc. Rev.等期刊发表学术论文100多篇，论文他引4800多次(H指数=43)，获授权国家发明专利10件。作为负责人主持国家杰出青年基金、优秀青年基金、青年拔尖人才计划等项目，荣获福建青年科技奖、中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院上海分院杰出青年科技创新人才奖和福建省自然科学二等奖（3/5）等荣誉。