独立行政机构米乐m6官方网站 (AIST) 相关电子研究中心 (CERC) 与另一独立行政机构日本科学技术振兴机构 (JST) 合作，发现了利用 π 电子体系的酸碱型二元有机物质开发有机铁电体的新方法。有机物质中的铁电性是取代传统无机材料用于铁电器件（例如存储器）以及开发新兴的“有机胆”器件的重要一步。目前的发现对于扩大材料开发的前沿具有重要意义。

铁电物质除了非易失性存储器和高介电常数材料等电子应用之外，还具有压电、致动器、非线性光学器件等多种功能器件能力。为了以轻质且柔性的有机材料的形式实现这些有用的特征，对有机铁电体的需求正在急剧增长。另一方面，与无机或聚合物铁电体相比，低分子量有机固体铁电体的性能相当差，并且在材料开发方面几乎没有受到影响。

由 CERC-AIST 和 Tokura 自旋超结构项目（2001~06 财年）组成的研究小组，在先进技术探索研究计划（JST、ERATO-SSS）下，证明了通过氢键作用由二元酸碱非极性共轭分子制备的分子化合物在接近室温下具有铁电性。基于氢键分子化合物的开发是世界上的首次尝试，预计将有助于有效地开发低分子量有机物质的铁电体。

新开发的铁电体的特点是极化大、介电常数大，以及极化反转所需的电场比铁电聚合物小得多。此外，还发现铁电相变是一种钛酸钡型相变，归因于近非极性分子的相对位移。

这一发现的详细内容将发表在英国科学杂志《自然材料》2005年2月1日号上（电子版：2005年1月23日）。标题：“非极性有机分子共晶中的室温附近的铁电性”，作者：Sachio Horiuchi、Fumiyuki Ishii、Reiji Kumai、Yoichi Okimoto、Hiroaki Tachibana、Naoto Nagaosa 和 Yoshinori Tokura。

铁电体是指由电偶极子组成的物质，其自发极化，并且其极性响应于施加的电场而容易反转。典型例子包括钛酸钡、一些铅基氧化物、氮化钠等无机材料（图1）。铁电材料在电子领域有着广泛的应用，包括电容器、非易失性存储器、场效应晶体管 (FET) 的执行器和绝缘体，以及非线性光学器件等其他领域。还提出了在不同领域的其他应用和实际用途的可行性。特别是，考虑到直接利用铁电特性的非易失性存储元件、FRAM或FeRAM的应用，其开发一直在积极进行。为了用轻质、柔性的材料实现这些有价值的功能，有机铁电的发展具有重要意义。另一方面，除了铁电液晶之外，聚偏二氟乙烯是众所周知的典型固态有机铁电体。对于铁电聚合物，当取代基响应于所施加的电场而围绕主链结构转动时，就会发生极化反转。不利的是，在存储器应用中，反转需要高工作电压。为了获得性能更好的有机铁电体，迫切需要开发包括低分子量有机分子，并制定材料开发策略。低分子量有机固体中的铁电性已知的只有少数情况，例如硫脲。可以毫不夸张地说，这一领域的材料开发几乎没有受到影响。

现有的低分子有机铁电体材料分为两类：单组分物质和多组分分子化合物。在前者中，铁电性​​是由电场下不对称极性分子的取向反转驱动的。该类型的设计原理基于有序-无序转变的概念，例如具有NO永久偶极子的氮化钠的铁电性₂- 离子。单组分材料在室温附近的介电常数对于硫脲约为30，对于其他物质小于15。分子化合物类型涉及由电子供体和受体组成的电荷转移络合物。电荷转移络合物的极化是由分子间电子转移引起的分子位移引起的，最大介电常数范围从数百到约2000或更大。但由于其电导率或介电损耗较大，从其自身的应用目标来看，目前该材料并不适合用作绝缘铁电体。在本研究中，选择酸碱之间具有强氢键的分子化合物作为基于π电子构型的铁电材料，代替电荷转移络合物。

图。 1 两种铁电物质

化学计量比为 1:1 的化合物分子是使用具有酸性（供质子）羟基的二羟基对苯醌衍生物创建的，例如氯苯甲酸 (H₂ca) 或溴苯甲酸 (H₂ba) 代表酸，吩嗪 (Phz) 带有接受质子的氮原子，并结合到苯环上代表碱（图 2）。两种成分的分子均为π共轭体系，通过分子间氢键形成一维网络。图 3（左）显示了在分子化合物 Phz- H₂ca 和 Phz-H₂ba。而Phz-H₂ba低至138 K，使用更小的取代基可以显着提高转变温度，将Phz-H的转变点提高到253 K₂约。压缩 Phz-H₂ca 在 6000 atm 左右使相变在室温下发生。在相变温度下，介电常数急剧增长，达到接近 3000 的巨大值（图 3，左）。室温下的介电常数大于100，远远超过传统铁电物质的观测值。

在低于相变点的温度下，观察到极化电场磁滞曲线，如图 3 右图所示。与Phz-H₂ca 在 160 K 时，剩余自发极化显示为P_r较大，约为07~08 μC/cm²，而反转极化所需的电场，如图所示E_c，约为08 kV/cm，比铁电聚合物小两到三个数量级。

在高于相变点的温度下，酸和碱分子都是中心对称的，没有极性。在转变点以下，它们的分子中心稍微偏离原来的中心对称结构，分子骨架的变形很小。这代表了位移（displacive-）型铁电体，如钛酸钡。传统的位移型铁电极化是通过带电物质（离子）的位移产生的，而在新开发的铁电体中，电中性分子被位移，并且分子本身的极化仍然很小。未来的努力将集中在解释观察到的巨大自发极化的起源。

图。 2 基于π共轭分子的有机铁电晶体的制备及其分子排列（绿线：氢键）

图。 3 左：环境压力下铁电晶体、吩嗪-氯苯甲酸和吩嗪-溴苯酸的介电常数对温度的依赖性（实线和虚线数据分别表示平行于分子堆叠和垂直于分子堆叠施加的电场。右：吩嗪-氯苯甲酸晶体的极化-电场磁滞曲线，平行于分子堆叠施加的电场。）