类型a：单篇原始研究论文的学术报告
一、研究作者、机构与发表信息
本研究由Liwei Tang、Jialu Chen、Yu Ma、Yi Liu、Jingtian Zhang、Junhua Luo以及通讯作者Zhihua Sun等人完成。研究单位为中国科学院福建物质结构研究所功能晶体与器件国家重点实验室、中国科学院大学，以及福建光电信息科学与技术创新实验室。该研究于2026年5月29日发表在国际学术期刊 Science Advances 上，论文标题为“Reconfigurable and nonvolatile photo-pyroelectricity in a ceramic-like biaxial molecular ferroelectric via polarization engineering”。
二、研究背景与目的
本研究所属的科学领域为材料科学，具体聚焦于分子铁电体（molecular ferroelectrics）与光热释电效应（photo-pyroelectric effect）。光热释电效应将热释电性（pyroelectricity）与光激发相结合，实现光到电的转换，为下一代光电技术提供了重要原理基础。除了传统的能量收集和光电探测之外，可编程光传感（programmable photosensing）在记忆存储、计算和神经形态视觉系统中具有关键作用。然而，当前通过组分掺杂或异质结构工程来调控光热释电响应的策略，往往会降低热释电系数或限制可调性，难以实现可重构和非易失性的光热释电行为。
铁电体是热释电材料的重要亚类，其自发极化（spontaneous polarization, Ps）与光的耦合为多功能光电子性质提供了基础。理论上，通过电场调控铁电体的Ps状态，可以控制光热释电电流的幅度和方向，而铁电极化本身具有非易失性和方向可控性，因此铁电极化工程为实现可重构非易失光热释电效应提供了可行途径。近年来，分子铁电体尤其是二维杂化钙钛矿分子铁电体因其结构柔性和极化行为可调而受到广泛关注。然而，传统单轴分子铁电体存在固有各向异性和方向性限制，在多晶或薄膜形式下极化疲劳严重，制约了光热释电器件应用。相比之下，多轴铁电体具有多个等效极化方向，能够在多晶陶瓷样形式下实现动态畴重新取向，几乎不受晶粒取向限制，为通过极化工程精确调控光热释电效应提供了新思路。本研究的目标正是利用二维双轴分子铁电体(N-methylcyclohexylammonium)2PbCl4（化合物1）的陶瓷样多晶片，通过极化工程实现可重构和非易失性的光热释电响应。
三、研究流程与实验方法
本研究的工作流程可分为四个主要环节：晶体合成与陶瓷样片制备、结构分析与铁电性质表征、光热释电效应的极化调控、以及光热释电多态存储器的构建与验证。
首先，在材料制备方面，研究者通过将Pb(COOH)2·3H2O与N-甲基环己胺在盐酸溶液中溶解并搅拌，采用降温法获得化合物1的片状无色单晶。随后将晶体研磨成粉末并过筛，在约5 MPa压力下压制成陶瓷样圆片。此外，还通过将晶体溶解于N,N′-二甲基甲酰胺中，在铟锡氧化物基底上旋涂并退火制备了薄膜样品。
其次，在结构分析中，差示扫描量热法（differential scanning calorimetry, DSC）确认化合物1在361/357 K和373/370 K发生两次相变。变温单晶结构分析表明，化合物1在高温顺电相（paraelectric phase, PEP）中结晶于I4/mmm空间群，冷却后经历两次相变进入铁电相（ferroelectric phase, FEP），其极性空间群为Pmn21。这一转变对应Aizu符号4/mmmFmm2的对称性破缺，对称元素数从16减少到4。在铁电相中，极化被约束在晶体学c轴方向；在顺电相中，存在四个等效[110]方向，表明化合物1具有双轴多铁电轴特性。X射线衍射（XRD）数据显示陶瓷样片高度取向，原子力显微镜（AFM）和扫描电子显微镜（SEM）显示晶粒分布均匀、晶界清晰。
在多轴铁电性质表征中，研究者利用Sawyer-Tower电路测量了不同方向、不同温度和不同电场幅度下的极化-电场（P-E）电滞回线。结果表明，陶瓷样多晶形式在所有方向均能测得明确的铁电回线，表现出各向同性的铁电行为。随着电场强度增加，Ps从约0.8 μC/cm2逐渐增大并接近单晶值，而单晶的Ps随电场变化不明显。压电力显微镜（piezoresponse force microscopy, PFM）被用于直接观察铁电畴结构。垂直和横向PFM相位图像显示出清晰的畴对比和畴壁，且畴结构与表面形貌无关，证明存在非180°畴。通过在中心区域施加±40 V直流偏压并进行PFM扫描，研究者观察到了可逆的畴翻转，证实了多轴铁电体在多晶形式下的极化可重构性。
在光热释电效应测试中，研究者采用Chynoweth方法，使用Keithley 6517B静电计测量光热释电电流和电压。光源包括404 nm激光二极管以及266至1550 nm的多种激光器。样品在零偏压下接受光照，测量电流-时间（I-T）和电压-时间（V-T）曲线。极化工程通过施加不同强度和极性的直流电场实现，然后在零偏压下测量光热释电响应。研究者还测量了不同波长下的光热释电电流与极化电场的关系，以及长时间保持特性和多次循环的疲劳特性。
四、主要结果与讨论
研究结果涵盖铁电性质、光热释电调控以及多态存储性能三个层面。
在铁电性质方面，陶瓷样多晶片的P-E回线表明其具有各向同性的铁电切换行为。温度依赖性测量显示矫顽场（coercive field, Ec）和Ps均随温度升高而减小，符合铁电材料接近居里温度时的典型行为。PFM实验证明，化合物1的多晶薄膜中存在非180°畴，并且可以在外加电场下实现可逆畴翻转。这种多轴性质使得陶瓷样片中的极化轴可以在电场作用下逐渐转向电场方向，从而使多晶形式的Ps达到接近单晶的水平。极化后，压电系数d33也从0.4 pC/N显著提高到3.4 pC/N。
在光热释电调控方面，未极化状态下，陶瓷样片在404 nm光照（135 mW/cm²）下产生约0.5 pA的正光热释电电流和-12 mV的光热释电电压，响应时间的上升和下降分量分别为200 ms和224 ms。随着极化电场强度增加至33 kV/cm，光热释电电流和电压单调增加，最终达到约75 pA，提升了近两个数量级。热释电系数也相应增强。当电场超过一定阈值后，畴壁钉扎或微裂纹等不可逆缺陷会导致响应退化。更关键的是，通过改变电场方向，光热释电电流和电压的符号可以发生反转，实现了从正到负的可逆切换。连续极化实验表明，初始施加+30 kV/cm脉冲后，光热释电电流为61 pA；随着负向电压增加，电流逐渐减小到零并转为负值，在-30 kV/cm时达到-57 pA。反向过程表现出良好的对称性。这一行为可以通过畴取向切换机制解释：初始状态下各晶粒的极化轴随机取向，导致Ps较小；随着电场增大，极化轴逐渐沿电场方向排列，Ps增大，从而增强热释电效应；反向电场则导致部分畴反转，降低甚至逆转有效光热释电响应。
在多态存储性能方面，研究者建立了光响应状态与极化状态的一一对应关系。光热释电电流与光功率密度之间呈高度线性关系。器件在266至1550 nm的宽光谱范围内均表现出光响应，超过了传统带隙限制的光电探测器。不同波长下的光热释电电流均可通过极化电压连续调节。调制后的光电流状态可稳定保持超过63小时。疲劳测试显示，多个器件在相同条件下表现出可重复的抗疲劳行为和非易失保持特性。通过施加25 kV/cm的正向脉冲，光热释电电流维持在45 pA，定义为“1”态；施加-17 kV/cm的反向极化脉冲后，电流降至接近零，定义为“0”态。这种“1/0”状态的动态切换在多个器件中均可重现，展示了光热释电多态存储器的可行性。
五、结论与研究价值
本研究通过极化工程在双轴分子铁电体(N-methylcyclohexylammonium)2PbCl4的陶瓷样多晶片中，成功实现了可重构和非易失性的光热释电效应。通过控制铁电畴的排列，光热释电电流实现了两个数量级的增强。多晶薄膜中独立的畴取向切换使得光热释电电流可以通过极化工程在正负之间连续可逆地调节。这种可调性与优异的非易失性相结合，实现了非易失多态光热释电存储。
在科学价值方面，本研究首次在分子基体系中实现了可重构和非易失性的光热释电调控，突破了此前分子铁电体因各向异性和极化疲劳导致的性能瓶颈。研究证明了多轴铁电体在陶瓷样多晶形式中的极化工程优势，为分子铁电体的器件化应用提供了新思路。在应用价值方面，研究所展示的光热释电多态存储行为——包括宽光谱响应、线性光功率依赖、超过63小时的非易失保持和抗疲劳特性——为光电存储器、神经形态视觉系统和自适应光电系统的发展开辟了新的途径。
六、研究亮点
本研究的亮点主要体现在三个方面。第一，材料体系的新颖性：采用二维双轴分子铁电体的陶瓷样多晶形式，克服了传统单轴分子铁电体在非单晶形式下极化严重衰减的问题，实现了接近单晶的极化性能。第二，调控手段的创新性：通过外部极化工程，不仅实现了光热释电电流两个数量级的增强，还实现了电流方向从正到负的可逆切换，展示了连续可调的多态响应。第三，器件功能的拓展性：将可重构光热释电响应与非易失保持特性结合，构建了“1/0”光可读存储状态，并展示了宽光谱（266至1550 nm）响应能力，超越了传统带隙限制。
七、其他有价值内容
本研究还报道了与光热释电相关的压电性质变化。极化前陶瓷样片的d33仅为0.4 pC/N，而施加30 kV/cm极化后d33提高到3.4 pC/N。这表明极化工程不仅能增强光热释电响应，还能同时调控其他与极化相关的功能性质，为多功能集成器件的设计提供了可能。此外，研究中的光热释电响应时间（上升200 ms，下降224 ms）数据也为器件响应速度的评估提供了参考。