Новости химической науки > Водородные связи для новых сегнетоэлектриков

Исследователи из Японии разработали новый сегнетоэлектрический материал, представляющий собой водородно-связанные молекулярные кристаллы кроконовой кислоты (croconic acid).

Новый сегнетоэлектрик отличается хорошими электронными свойствами даже при высокой температуре, что делает его перспективным для использования в молекулярной электронике.

Атомы водорода (обозначены шариками) перемещаются между атомами кислорода кроконовой кислоты (обозначена шестиугольниками) по сетке водородных связей (обозначены синим), меняя расположение двойных связей и «переключая» поляризацию материала. (Рисунок из Nature, 2010, DOI:10.1038/nature08731)

Сегнетоэлектрики характеризуются самопроизвольной электрической поляризацией, которая может быть изменена с помощью электрического поля. Это свойство позволяет использовать сегнетоэлектрические материалы для создания конденсаторов. Большинство коммерчески используемых сегнетоэлектриков представляют собой неорганические керамические материалы семейства перовскита, например, титанат бария (BaTiO₃) и смешанный титанат-цирконат свинца (Pb{Zr_xTi_1-x}O₃; PZT).

Однако Сачио Хориучи (Sachio Horiuchi) считает, что крайне необходимо разработать сегнетоэлектрики на основе органических полимеров и органических молекул – такие сегнетоэлектрические материалы можно растворять в органических растворителях, их можно обрабатывать холодным способом, например, наносить на поверхность с помощью струйных принтеров, для их производства не требуются токсичные и дорогие тяжелые металлы.

Японский исследователь заявляет, что главная помеха для разработки органических сегнетоэлектриков заключается во-первых – в достижении достаточно значительной степени поляризации, которую можно было бы менять, действуя на материал электрическим полем с относительно незначительной напряженностью, а во-вторых – необходимостью сохранения сегнетоэлектриками рабочих свойств при рабочих температурах, зачастую высоких. Хориучи подчеркивает, что некоторые полимерные материалы могут работать при высоких температурах, но при этом для их переполяризации необходимо значительное напряжение; некоторые же материалы, которые могут управляться полями с низкой напряженностью, могут работать только при крайне низких температурах.

Исследователи из группы Хориучи обнаружили, что кристаллы кроконовой кислоты (croconic acid) характеризуются высокой плотностью поляризации (сравнимой со свойствами BaTiO₃), могут управляться полем с незначительной напряженностью и сохраняют сегнетоэлектрические свойства до 130°C.

Одна из причин наблюдаемых эффектов заключается в причинах проявления сегнетоэлектрического эффекта. В ионных сегнетоэлектриках, относящихся к классу перовскитов, ионы металлов, поляризация образуется за счет перемещения ионов металлов между центрами координации, в сегнетоэлектрических полимерах происходит изменение конформации полимерных цепей. В молекулярной кристаллической решетке кроконовой кислоты атомы водорода меняют свое положение, связываясь с атомами кислорода водородными связями, соответственно разрушить водородные связи можно, прилагая меньшее напряжение, чем необходимое для изменения формы полимерных молекул.

Стив Дачерм (Steve Ducharme) из Университета Небраски-Линкольна отмечает, что высокая температура, при которой может работать новый материал, внушает оптимизм, добавляя однако, что время переполяризации кристаллов кроконовой кислоты слишком велико – оно составляет около секунды (для сегнетоэлектриков ряда перовскита и ряда полимеров это время составляет несколько наносекунд). Он добавляет, что хотя для некоторых приложений такая скорость допустима, для других (например, компьютерные системы) это слишком медленно.

Хориучи принимает критику коллеги и признает, что кроконовая кислота недостаточно стабильна для непосредственно применения в электронике, но при этом он считает, что сегнетоэлектрик, свойства которого обуславливаются миграцией атомов водорода по системе водородных связей, является важным этапом в исследовании органических сегнетоэлектриков.

Источник: Nature, 2010, DOI:10.1038/nature08731

метки статьи: #новые материалы, #органическая химия, #физическая химия, #химия полимеров