一种基于二维四氟硼酸盐的混合铁弹性材料，具有可切换的介电常数

《Inorganic Chemistry Communications》：A two-dimensional tetrafluoroborate-based hybrid ferroelastic exhibiting switchable dielectric constant

二维四氟硼酸酯基混合铁电弹性体（1）在314K附近发生4/mmm-F2/m型铁电弹性相变，其层状结构中的阴离子框架发生扭曲，且quinuclidinium阳离子层可逆性取向变化引发可切换的介电常数（ε'）在低/高介电态间转换，经多次循环后稳定性显著，适用于柔性电子器件。

　　这项研究围绕一种新型的二维（2D）有机-无机杂化铁电弹性材料展开，其化学式为 (HQ)?Ba(BF?)?（编号为 1，其中 HQ 表示 quinuclidinium 阳离子）。铁电弹性材料因其在外部刺激下能够表现出可逆的结构重排和记忆效应，而被视为构建智能电子设备的重要候选材料。研究团队通过合成和表征这种材料，揭示了其在室温以上展现出的可切换介电性能和稳定的结构响应特性，为未来多功能材料的设计提供了新的思路。

铁电弹性材料的核心特性在于其结构在外界刺激（如温度、压力或电场）作用下会发生可逆的变化。这种变化通常伴随着晶格畸变和界面相互作用的耦合，使得材料能够形成具有不同应变方向的铁电弹性畴。在这些材料中，无机成分通常扮演着刚性框架的角色，提供结构的稳定性和机械强度。而有机成分则赋予材料可逆的变形能力和动态响应特性，使其能够在外部刺激下进行灵活的结构调整。这种有机-无机协同设计不仅增强了材料对刺激的敏感性，还为实现多场耦合（如机械、电、热、磁等）提供了可能。

在有机-无机杂化铁电弹性材料中，二维体系因其独特的层状结构而展现出显著的优势。相比三维材料，二维结构通常具有更高的灵活性和更强的稳定性，这使得它们在多种应用领域中更具潜力。此外，二维材料的结构特征还允许其与多种物理性质（如介电、铁电和磁性）相结合，从而实现更复杂的多功能响应。然而，目前大多数二维铁电弹性材料的相变温度都低于常温，这限制了其在高温环境下的应用。因此，研究团队致力于开发具有更高相变温度的二维铁电弹性材料，以拓展其使用范围。

本研究中合成的 (HQ)?Ba(BF?)? 材料表现出一种独特的结构相变行为。通过差示扫描量热法（DSC）测量，该材料在加热和冷却过程中分别显示出相变温度为 321?K 和 307?K，表明其相变过程具有高度的可逆性。这种可逆性是铁电弹性材料的重要特征之一，意味着材料能够在不同的温度条件下多次切换其结构状态，而不会出现性能的明显衰减。这为开发具有长期稳定性的智能材料奠定了基础。

进一步的结构分析表明，该材料的二维阴离子框架在不同温度下会发生倾斜和畸变。这种结构变化是由 HQ 阳离子的旋转和构型变化所驱动的，而 BF?? 离子的无序化则进一步促进了材料的动态响应能力。在相变过程中，这些变化导致了材料的结构对称性发生转变，从低温相的 P2?/n 结构转变为高温相的 I4/mmm 结构。这种对称性变化与铁电弹性畴的重排密切相关，是材料表现出可切换介电性能的关键因素。

介电性能的可切换性主要来源于晶体结构中分子偶极子的运动变化。在低温状态下，材料的晶格结构较为有序，分子偶极子的排列也相对固定，从而表现出较低的介电常数（低介电态，LDS）。而在高温状态下，由于晶格的动态变化和分子偶极子的可动性增强，材料的介电常数显著上升（高介电态，HDS）。这种介电常数的切换不仅反映了材料结构的可逆变化，还意味着其在电场作用下能够实现电性能的动态调控。值得注意的是，经过多次介电常数切换循环后，材料的介电信号并未出现明显的衰减，这表明其具有良好的稳定性和重复使用性。

在材料的结构相变过程中，有机和无机成分的协同作用尤为关键。有机阳离子（HQ）的可旋转性为材料提供了动态响应能力，使其能够在外部刺激下实现结构的重新排列。而无机阴离子框架（Ba(BF?)?）则通过其刚性结构维持了材料的整体稳定性。此外，材料中较弱的有机-无机界面相互作用（如氢键）降低了结构重排所需的激活能，使得材料能够在较低的能量输入下实现畴壁的运动。这种特性使得 (HQ)?Ba(BF?)? 在室温以上仍能保持良好的铁电弹性响应。

从应用角度来看，这种新型的二维铁电弹性材料具有广阔的发展前景。其在室温以上表现出的可切换介电性能，使其有望应用于柔性电子器件、可穿戴技术、能量吸收系统和减震材料等领域。特别是在需要材料在不同温度条件下保持稳定性能的应用场景中，该材料的高相变温度和优异的循环稳定性显得尤为重要。此外，由于其结构的可调控性，该材料还可能被用于构建具有多物理场耦合能力的智能材料，从而实现更复杂的多功能响应。

为了进一步探索这种材料的潜力，研究团队还通过偏振光学显微镜（POM）观察了其在加热和冷却过程中的颜色变化和条纹形成。在加热过程中，材料表现出从青色向粉色的可逆转变，而在冷却过程中则显示出明暗交替的条纹。这些现象与铁电弹性畴的重排密切相关，进一步验证了该材料的结构响应特性。此外，通过不同温度下的单晶结构分析，研究团队还能够清晰地观察到晶格的动态变化，为理解其结构相变机制提供了重要依据。

该研究不仅为铁电弹性材料的开发提供了新的方向，也为有机-无机杂化材料的设计提供了理论支持。通过调控有机阳离子和无机框架的相互作用，可以进一步优化材料的相变温度和介电性能，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究团队还强调了这种材料在构建多功能材料体系中的重要性，指出其可切换的介电性能与结构相变的协同作用，使其成为一种具有高潜力的智能材料。

从材料科学的角度来看，这种二维铁电弹性材料的合成和表征代表了有机-无机杂化材料研究的一个重要进展。其结构相变机制和介电性能的可逆性，为未来设计具有更广泛温度适应性的智能材料提供了理论依据。同时，该材料的稳定性和可重复性也为其在实际应用中的推广奠定了基础。研究团队希望通过进一步的探索，能够揭示更多关于这种材料的物理特性，从而推动其在新型电子器件和智能材料领域的应用。

为了实现这一目标，研究团队还计划对这种材料进行更深入的性能测试和结构优化。例如，通过调整有机阳离子的种类和无机框架的组成，可以进一步调控材料的相变温度和介电响应能力。此外，研究团队还关注这种材料在不同外部刺激（如电场、磁场和机械应力）下的响应行为，以期开发出具有多场耦合能力的新型智能材料。这种材料的多功能性不仅使其在电子器件领域具有应用潜力，还可能在其他需要动态响应的工程领域中发挥作用。

综上所述，这项研究通过合成和表征一种新型的二维有机-无机杂化铁电弹性材料，揭示了其在室温以上表现出的可切换介电性能和结构响应特性。这种材料的合成方法为未来开发类似功能材料提供了重要的参考，而其独特的结构相变机制和稳定的性能则为智能材料的设计和应用打开了新的可能性。随着对这类材料研究的不断深入，预计将在更多领域中发挥重要作用，推动材料科学向更高层次的发展。