"Room-temperature ferroelectricity in supramolecular networks of charge-transfer complexes". A. S. Tayi, A. K. Shveyd, A. C. -H. Sue, J. M. Szarko, B. S. Rolczynski, D. Cao, T. J. Kennedy, A. A. Sarjeant, C. L. Stern, W. F. Paxton, W. Wu, S. K. Dey, A. C. Fahrenbach, J. R. Guest, H. Mohseni, L. X. Chen, K. L. Wang, J. F. Stoddart, S. I. Stupp. NATURE 488, 485 (2012). DOI: 10.1038/nature11395
Materials exhibiting a spontaneous electrical polarization
that can be switched easily between antiparallel orientations are of
potential value for sensors, photonics and energy-efficient memories. In
this context, organic ferroelectrics
are of particular interest because they promise to be lightweight,
inexpensive and easily processed into devices. A recently identified
family of organic ferroelectric structures is based on intermolecular
charge transfer, where donor and acceptor molecules co-crystallize in an
alternating fashion known as a mixed stack:
in the crystalline lattice, a collective transfer of electrons from
donor to acceptor molecules results in the formation of dipoles that can
be realigned by an external field as molecules switch partners in the
mixed stack. Although mixed stacks have been investigated extensively,
only three systems are known
to show ferroelectric switching, all below 71 kelvin. Here we describe
supramolecular charge-transfer networks that undergo ferroelectric
polarization switching with a ferroelectric Curie temperature above room
temperature. These polar and switchable systems utilize a structural
synergy between a hydrogen-bonded network and charge-transfer
complexation of donor and acceptor molecules in a mixed stack. This
supramolecular motif could help guide the development of other
functional organic systems that can switch polarization under the
influence of electric fields at ambient temperatures.
Los materiales que muestran una polarización eléctrica espontánea que pueden intercambiar fácilmente sus orientaciones antiparalelas son potencialmente valiosos en sensores, en fotónica y en memorias energéticamente eficientes. En este contexto, los ferroeléctricos orgánicos son de particular interés, ya que prometen ser ligeros, económicos y de fácil incorporación en dispositivos. Una familia de estructuras ferroeléctricas orgánicas, recientemente identificada, está basada en la transferencia de carga intermolecular, donde las moléculas donadoras y aceptoras cocristalizan en un arreglo alternativo, conocido como apilamiento mixto: en la red cristalina, una transferencia colectiva de electrones entre las moléculas donadoras y aceptoras da lugar a la formación de dipolos que pueden realinearse mediante un campo externo, como moléculas interruptoras en el apilamiento mixto. A pesar de que los apilamientos mixtos han sido ampliamente estudiados, se sabe que sólo tres de ellos muestran alternancia ferroeléctrica, todos por debajo de los 71 kelvin. Aquí se describen unas redes de transferencia de carga supramolecular que permiten la alternancia de polarización ferroeléctrica con una temperatura ferroeléctrica de Curie por encima de la temperatura ambiente. Estos sistemas polares y alternantes utilizan una sinergia estructural entre una red de enlaces de hidrógeno y complejos de transferencia de carga de moléculas aceptoras y donadoras, en un apilamiento mixto. Este paradigma supramolecular puede ayudar a guiar el desarrollo de otros sistemas orgánicos funcionales que puedan controlar su estado de polarización a temperatura ambiente bajo la influencia de campos eléctricos.
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