本网讯（国际有序物质科学研究院）近日，南昌大学国际有序物质科学研究院廖伟强研究员等在分子铁电材料领域取得重要研究进展，首次在对映体分子铁电薄膜中观察到本征的手性畴结构。相关成果以“Enantiomeric Ferroelectric Chiral Domains”为题发表于Journal of the American Chemical Society。南昌大学宋贤江教授为论文的第一作者，廖伟强研究员为唯一通讯作者，南昌大学为唯一完成单位。

手性是指物体与其镜像不能完全重合的特性。手性现象在自然界中广泛存在，是自然界的基本属性之一。手性与铁电性等物理性质相结合时，往往会带来一系列新颖的物理现象和应用。在铁电材料中，自发极化相同的区域称为畴。铁电体中的手性畴具有可切换的自发极化，并表现出极化和手性之间的固有耦合，可以展现出与块材显著不同的各种新颖的物理现象和功能特性，为开发新型纳米器件打开了一扇大门。在手性拓扑畴结构中已经发现了多种新奇的物性，如巨大电导率提升、宏观负微分电容特征、共振隧穿行为、光伏和磁电阻等，有望应用于构筑高密度存储、逻辑、传感等电子学器件。然而，手性畴结构往往要求自发极化发生弯曲，构筑难度比较大，迄今为止也只在少数无机氧化物铁电体中观察到。如PbTiO3/SrTiO3超晶格中的手性斯格明子、La掺杂BiFeO3纳米岛中的手性涡旋。值得注意的是，这些的手性畴结构大多出现在尺寸受限的纳米体系中，在这些小尺度受限的纳米岛或纳米棒中去极化效果更显着，极化弯曲可以发生在界面/表面或畴壁。此外，这些系统中静电能、弹性能和极化梯度能等之间存在微妙的竞争，这种竞争对尺度高度敏感，导致形成了不同的手性畴。相比于无机铁电体，对映体分子铁电体中因其分子结构中固有的手性中心而具备本征手性，这在无机铁电体系中是无法实现的，有望实现本征手性畴的构筑。

图1.对映体铁电体[RFAO][ReO4] (a)和[SFAO][ReO4] (b)薄膜中的本征手性畴结构。*为手性中心。

晶体的对称性通常在铁电材料的表面会表现为特定的图案结构。例如，结晶于三方或六方晶系的晶体，其铁电畴结构会呈现出三角形、六边形等具有相应对称性的图案。对于具有单一手性的铁电体而言，由于其晶体结构的对称性特点，理论上可能形成相互为镜像的手性铁电畴。这一现象从晶体学角度推测是可能存在的。然而，自从铁电性发现一百多年以来，尚未有实验观察到具有镜像关系的同手性铁电畴图案。在熊仁根教授提出的《铁电化学》指导下，廖伟强研究员等利用氢/氟取代策略设计合成了一对对映体分子铁电体[RFAO][ReO4]和[SFAO][ReO4]（RFAO/SFAO = (4R,5R/4S,5S)-4-氟-1-氮杂二环[3.2.1]辛烷），它们在350 K和463 K 分别发生222F2和432F2型铁电相变。通过简单的相变处理，首次观察到了大面积的手性螺旋畴结构（图1）。[R/SFAO][ReO4]在铁电相和顺电相均结晶在手性点群，晶体中除了分子的手性，还存在堆积手性。当发生顺电-铁电相变时，畴结构的形成决定于晶体的对称性。同时。在相变过程中，晶体的手性堆积始终保持不变。由于R和S构型晶体中的手性堆积相反，导致了不同手性畴的形成。因此，在拥有本征手性的对映体铁电中形成手性畴不需要依赖于特殊几何或应变边界条件的约束。然而，过去几十年里，这种本征手性驱动的手性畴结构还没有被报道。该成果首次在对映体分子铁电体中观察到了手性畴结构，为研究手性起源及手性与极化之间的耦合提供了新的视角。这项工作是《铁电化学》指导下的又一突破性新发现，为开发具有本征手性畴结构的分子铁电体指明了方向。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04038

审校：许航、朱文芳、陈小赤