江西师大杜恣毅/北海道大学黄瑞康/电子科大蔡伟照Angew: 类螺环结构驱动的热致/压致双相变的分子铁电体

在电子信息技术和智能器件不断发展的今天，材料的多功能性成为推动高性能存储、传感和电子元件设计的重要考虑因素。铁电材料因其自发极化及可调控的极化翻转特性，在信息存储、能量转换和传感器等领域发挥着重要作用。然而，传统无机铁电材料的铁电性往往局限于特定的温度或压力范围，缺乏灵活的调控手段；而分子基铁电体尽管具有结构可设计、轻质、柔性等优点，但如何在单一体系内同时实现对多种外界刺激（如温度和压力）的响应，并保持稳定的铁电性能，仍然是该领域的重要挑战。

类螺环结构诱导的“分子弹簧”铁电体：兼具热致与压致相变

想象一个螺旋形的弹簧：拉伸后，它能迅速回弹，而施加不同方向的力，则会引发不同的形态变化，甚至改变其力学特性。如果我们能在分子层面构筑类似的动态结构，使其在外部温度变化或压力作用下发生可逆构象变化，进而调控极化翻转，那么就有望开发出同时对多种外界刺激作出响应的分子铁电材料，为铁电调控提供新的思路。

基于这一想法， 江西师范大学 杜恣毅教授 、日本北海道大学 黄瑞康助理教授 与电子科技大学 蔡伟照教授 携手合作， 提出了一种“类螺环结构”调控策略 （图1），他们巧妙地利用环状有机配体与螯合配位形成的分子螺旋单元，通过该单元的构象诱导作用，构筑了一种类似弹簧的分子铁电体——一维中性螺旋链配位聚合物[Cd(MEO)(SCN)₂]（MEO = 2-吗啉乙醇）。

这一“分子弹簧”在温度变化或外部压力改变时，能在分子层面如机械元件一样动态调整微观结构，分别发生热致与压致相变，从而实现铁电极化的可控翻转。研究团队结合原位变温/变压单晶X射线衍射技术、DSC测试和分子动力学模拟，系统解析了其结构相变特征与动态响应机制，并通过介电谱测试、电滞回线测试和压电力显微镜（PFM）测试详细表征了其铁电性能。

图1 类螺环策略示意图

热致相变：分子级别的“开关”

研究团队发现，在低温下，MEO配体保持静态极性排列，类似被固定在一个方向的阀门，维持稳定的极性状态。随着温度升高，MEO配体围绕配位键发生受限旋转，类似于一个在两个角度之间来回调节的动态阀门，最终进入高温动态无序状态，导致极性消失。这一动态变化进一步诱导[Cd(MEO)]类螺环结构单元发生有序-无序转换，最终导致材料从铁电相到顺电相的结构相变。这一“分子开关”机制不同于传统分子铁电体依赖分子取向变化来调控极化的模式，而是通过类螺环结构的构象转换来驱动铁电相变，为分子级极化调控提供了一种全新的设计策略。

图2 热致相变和机理

压致相变：“弹簧”效应触发极化翻转

除了温度，材料还能对压力产生特殊的动态响应。原位变压单晶X射线衍射研究揭示，在外部压力作用下，材料的主链表现出类似弹簧的可逆形变，同时带动类螺环结构发生翻转，从而诱导压致相变。这一过程中，材料的极化方向从垂直于主链转变为沿主链方向，表明该体系能够在分子级别实现精准的极化方向调控。这一特性使材料在多重外界刺激下展现出可控的极化响应，为高压调控铁电性能及多刺激响应材料的设计提供了新的可能。