摘要：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
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。
图3 压致相变和机理
铁电性能表征
研究团队结合介电谱、电滞回线（P-E）测试和压电力显微镜（PFM），系统测试了其铁电性能。结果表明，该材料在123 K下表现出典型的铁电滞回行为，并可在外加电场作用下发生极化翻转。PFM成像进一步确认，该材料内部形成了稳定的可切换铁电畴，为其在高密度信息存储和柔性电子中的应用提供了可能性。
图3 [Cd(MEO)(SCN)₂]的变温介电与电滞回线
通过借鉴螺旋弹簧的结构特性，研究团队成功构筑了一种可同时响应温度和压力的分子铁电体，并揭示了其独特的极化翻转机制。这一研究打破了传统铁电材料只能通过外加电场改变极化的方式，使得材料能像弹簧一样在不同外界刺激下展现可控的极化翻转。这一发现不仅拓展了分子铁电体的结构设计策略，还为多重刺激响应铁电材料的开发提供了新思路，有望在温压双控电子器件和深海高压环境电子材料等领域发挥重要作用。
本研究成果以标题《A Spiro-Driven Ferroelectric Coordination Polymer Exhibiting Distinct Phase Transitions under Thermal and Pressure Stimuli》发表在Angewandte Chemie International Edition 上，作者信息：Zi-Yi Du,* Miao Xie, Wenbo Qiu, Ding-Chong Han, Shi-Yong Zhang, Ying Zeng, Weizhao Cai,* Takayoshi Nakamura, Rui-Kang Huang,* Chun-Ting He，论文DOI: 10.1002/anie.202500027
来源：高分子科学前沿
