Directional Intermolecular Interactions for Precise Molecular Design of a High-Tc Multiaxial Molecular Ferroelectric

分子间力 正交晶系 铁电性 化学 极地的 结晶学 分子 氢键 取代基 晶体结构 接受者 极化(电化学) 空间组 化学物理 立体化学 凝聚态物理 材料科学 物理 电介质 X射线晶体学 光学 有机化学 量子力学 衍射 物理化学 光电子学
作者
Chen‐Kai Yang,Wang‐Nan Chen,Yan‐Ting Ding,Jing Wang,Yin Rao,Wei‐Qiang Liao,Yongfa Xie,Wennan Zou,Ren‐Gen Xiong
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (4): 1781-1787 被引量:91
标识
DOI:10.1021/jacs.8b13223
摘要

Quasi-spherical molecules have recently been developed as promising building blocks for constructing high-performance molecular ferroelectrics. However, although the modification of spherical molecules into quasi-spherical ones can efficiently lower the crystal symmetry, it is still a challenge to precisely arouse a low-symmetric polar crystal structure. Here, by introducing directional hydrogen-bonding interactions in the molecular modification, we successfully reduced the cubic centrosymmetric Pm3̅m space group of [quinuclidinium]ClO4 at room temperature to the orthorhombic polar Pna21 space group of [3-oxoquinuclidinium]ClO4. Different from the substituent groups of −OH, −CH3, and ═CH2, the addition of a ═O group with H-acceptor to [quinuclidinium]+ forms directionally N–H···O═C hydrogen-bonded chains, which plays a critical role in the generation of polar structure in [3-oxoquinuclidinium]ClO4. Systematic characterization indicates that [3-oxoquinuclidinium]ClO4 is an excellent molecular ferroelectric with a high Curie temperature of 457 K, a large saturate polarization of 6.7 μC/cm2, and a multiaxial feature of 6 equiv ferroelectric axes. This work demonstrates that the strategy of combining quasi-spherical molecule building blocks with directional intermolecular interactions provides an efficient route to precisely design new eminent molecular ferroelectrics.
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