北理工教師在同位素調(diào)控材料物性研究中取得重要進(jìn)展
發(fā)布日期：2023-04-19 供稿：化學(xué)與化工學(xué)院 攝影：化學(xué)與化工學(xué)院
編輯：段凱龍 審核：王振華 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院姚子碩研究員在國(guó)際頂級(jí)期刊《Matter》發(fā)表題為“Anisotropic deuteration effects on a molecular ferroelectric”的研究論文。北京理工大學(xué)為唯一通訊作者單位，文章實(shí)驗(yàn)部分主要由北京理工大學(xué)研究生柳承東和李慧苗完成，北京理工大學(xué)宇航學(xué)院洪家旺教授在計(jì)算方面提供了幫助，姚子碩研究員為文章通訊作者。
自1931年發(fā)現(xiàn)氘同位素以來(lái)，氘代被廣泛用于調(diào)控材料的化學(xué)和物理性質(zhì)。1942年，研究者發(fā)現(xiàn)氘代KH2PO4（KDP）后材料的鐵電相變溫度提高107 K，隨后氘代被進(jìn)一步研究應(yīng)用于調(diào)控材料的導(dǎo)電、磁性、熒光性質(zhì)等。在目前已知的研究體系中，顯著的氘代效應(yīng)發(fā)生在伴隨質(zhì)子轉(zhuǎn)移的強(qiáng)氫鍵結(jié)構(gòu)中，而對(duì)于更為普遍的弱氫鍵體系，氘代效應(yīng)并不明顯，這個(gè)問(wèn)題極大的限制了氘代在物性調(diào)控方面的進(jìn)一步應(yīng)用。
該研究團(tuán)隊(duì)在前期通過(guò)結(jié)構(gòu)變化調(diào)控材料物理性質(zhì)的研究基礎(chǔ)( Nat. C hem., 2014 , 6, 1079-1083 ; Nat. Commun. 2019, 10 , 4805; CCS Chem. 2021, 2, 2464–2472; Nat. Commun. 2021, 12 , 6908； Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202217977; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5545-5552)，針對(duì)單晶晶格各向異性的結(jié)構(gòu)特征，提出選擇性氘代引入各向異性化學(xué)壓力的研究思路，通過(guò)對(duì)具有三方晶系的硫酸三乙二胺合鈷鐵電化合物進(jìn)行選擇性氘代，在弱氫鍵功能材料中實(shí)現(xiàn)了顯著的氘代效應(yīng)。當(dāng)對(duì)C-H原子氘代時(shí)鐵電窗口溫度從22 K提高到了56 K，自發(fā)極化值也增大4倍，而當(dāng)對(duì)N-H原子氘代時(shí)，鐵電性質(zhì)完全消失。通過(guò)變溫晶胞參數(shù)、倒異空間分析、介電溫譜、電滯回線、以及理論計(jì)算等對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究。
該工作率先揭示了各向異性氘代在高效率調(diào)控材料鐵電性質(zhì)方面的關(guān)鍵作用，革新了顯著氘代效應(yīng)通常發(fā)生在質(zhì)子轉(zhuǎn)移強(qiáng)氫鍵體系的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，為材料物性調(diào)控提供了新的研究思路。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（22071009、92061106和21971016）以及北京理工大學(xué)青年學(xué)者科研基金項(xiàng)目的支持。感謝北京理工大學(xué)分析測(cè)試中心工作人員的技術(shù)支持。
圖1 選擇性氘代調(diào)控材料物理性質(zhì)。
圖2 晶體結(jié)構(gòu)及選擇性氘代。
圖3 單晶晶格的倒異空間分析。
圖4 氘代對(duì)材料性質(zhì)的影響。
圖5 選擇性氘代對(duì)晶胞施加各向異性化學(xué)壓力。
附課題組簡(jiǎn)介：
姚子碩，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院副教授，日本九州大學(xué)博士、博士后，主要從事力、電、磁等刺激響應(yīng)分子基單晶材料的研究工作，作為第一作者或通訊作者在 Nat. Chem. (1) , Nat. Commun. (3), J . Am. Chem. Soc. (2), Angew. Chem., Int. Ed. (2)、Matter(1)等高水平期刊發(fā)表30余篇研究論文。
陶軍，北京理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院特聘教授，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者。主要從事分子磁性與功能材料研究，在 Chem. Soc. Rev. , Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc. , Angew. Chem., Int. Ed. 等高水平學(xué)術(shù)期刊發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。
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