Stable room temperature ferroelectricity in hydrogen-bonded supramolecular assemblies of ambipolar π-systems

双极扩散 铁电性 材料科学 超分子化学 结晶学 化学 化学物理 光电子学 电子 晶体结构 物理 量子力学 电介质
作者
Anurag Mukherjee,Shubhankar Barman,Anupam Ghosh,Saptarshi Chakraborty,Ayan Datta,Anuja Datta,Suhrit Ghosh
出处
期刊:Chemical Science [Royal Society of Chemistry]
卷期号:13 (3): 781-788 被引量:19
标识
DOI:10.1039/d1sc04617a
摘要

This article reports H-bonding driven supramolecular polymerization of naphthalimide (A)-thiophene (D)-naphthalimide (A) (AD n A, n = 1-4) conjugated ambipolar π-systems and its remarkable impact on room temperature ferroelectricity. Electrochemical studies confirm the ambipolar nature of these AD n A molecules with the HOMO-LUMO gap varying between 2.05 and 2.29 eV. Electron density mapping from ESP calculations reveals intra-molecular charge separation as typically observed in ambipolar systems. In the aggregated state, AD1A and AD2A exhibit bathochromically shifted absorption bands while AD3A and AD4A show typical H-aggregation with a hypsochromic shift. Polarization vs. electric field (P-E) measurements reveal stable room temperature ferroelectricity for these supramolecular assemblies, most prominent for the AD2A system, with a Curie temperature (Tc) ≈ 361 K and saturation polarization (Ps) of ∼2 μC cm-2 at a rather low coercive field of ∼2 kV cm-1. Control molecules, lacking either the ambipolar chromophore or the amide functionality, do not show any ferroelectricity, vindicating the present molecular and supramolecular design. Computational studies enable structural optimization of the stacked oligomer(s) of AD2A molecules and reveal a significant increase in the macro-dipole moment (in the range of 10-12 Debye) going from the monomer to the oligomer(s), which provides the rationale for the origin of ferroelectricity in these supramolecular polymers.
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