近日，中国人民大学物理学院程志海教授课题组与东南大学游雨蒙教授、熊仁根院士团队以及董帅教授课题组合作，制备研究了首个兼具铁电性与莫特绝缘体特性的二维有机-无机铁电层状材料(C₇H₁₄N)₃V₁₂O₃₀。该材料在234.4 K温度下发生铁电相变，并伴随导电性突变三个数量级，揭示了铁电性与强关联电子效应的协同作用机制。这项研究大大扩展了铁电材料的应用范围，并为研究强相关的电子系统提供了理想的平台。相关研究成果以“The First Molecular Ferroelectric Mott Insulator”为题，于2025年1月21日在线发表在《Advanced Materials》（DOI:10.1002/adma.202414560）上。

分子铁电材料可作为实现铁电性莫特绝缘子的理想平台。莫特绝缘体因强电子关联作用呈现独特的金属-绝缘体相变，是高温超导、量子自旋液体等研究的核心体系。传统铁电材料多基于无机钙钛矿结构，其电子特性调控受限。而分子铁电材料因有机组分的结构柔性，可突破对称性限制，但此前尚未实现莫特绝缘体特性。文章通过水热法合成层状钒氧框架材料(C₇H₁₄N)₃V₁₂O₃₀，其有机阳离子（奎宁环）在相变中从无序转为有序，诱导铁电极化；同时钒离子的3d轨道电子强关联效应导致莫特绝缘态，首次将两类特性融合于同一体系。

实验表明，材料在相变温度（234.4 K）附近电导率骤降三个数量级，同时介电常数跃升百倍。通过压电力显微镜（PFM），团队观测到可逆的电极化翻转，证实铁电性源于有机阳离子的有序化排列。密度泛函理论计算进一步揭示，低温相中钒离子形成电荷密度波（CDW），打开约0.34 eV的莫特带隙，而高温相因电子离域呈现金属性。这种“铁电序调控电子关联”的机制为多功能器件设计提供了新思路。

该材料在室温下表现出优异的湿度稳定性，克服了传统分子铁电材料的缺陷。其铁电性与导电性的强耦合特性，可应用于非易失性存储器、低功耗逻辑器件等领域；而周期性电荷密度波诱导的局域磁场，为调控二维超导、拓扑量子态提供了新平台。这项工作不仅拓展了分子铁电材料的设计边界，更为探索强关联电子系统中的新奇物态开辟了道路。

文章利用压电力显微镜（PFM）测量（C₇H₁₄N)₃V₁₂O₃₀晶体的局部极化行为和铁电畴的翻转过程，包括对样品初始状态的表面形貌、振幅和相位成像，以及通过施加直流偏压实现极化方向的翻转，并通过振幅的蝴蝶形曲线和相位的滞后回线定量分析极化翻转过程。通过PFM测量验证（C₇H₁₄N)₃V₁₂O₃₀晶体的铁电性，揭示极化翻转的动力学特征，探讨微观结构与极化之间的关系，并为理论计算提供实验依据，从而为深入理解该材料的铁电机制和微观结构提供了重要支持。

目前，该研究工作发表后受到了科学界的广泛关注，被选为了纳米科学与技术网站“Nanowerk”的“Spotlight”，并发表评论“This work establishes new possibilities for developing materials that integrate multiple useful properties in unprecedented ways.”。

程志海课题组一直致力于发展先进扫描探针显微技术，并利用其在低维量子材料和表界面物理体系开展创新性研究工作，在本文中主要负责了低温条件下的压电力显微学表征方面的工作。相关研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金、教育部及中国人民大学专项经费等的资金支持。