热释电材料是一种极性晶体，晶体中存在着自发极化。当温度（T）变化时，自发极化强度（P）也会发生变化，从而在表面产生电荷。因此，热释电材料广泛应用于热传感、热成像、热能收集等领域。常用的热释电材料大致有两类，均为铁电体，一类为无机氧化物（LiTaO₃、PMN-PT等），另一类为有机-无机杂化材料（TGS及其衍生物）。其中前者有较大的热释电系数（p = dP/dT），意味着在温度变化速率一定时，可以输出更大的电流；相较而言，后者的热释电系数虽然不如前者，但介电常数（ε）更小，可以输出更高的电压。人们用Fv = p/εC_v来衡量热释电材料的电压输出能力，其中C_v为体积比热。高的F_v值对热释电器件灵敏度的提升非常关键，这也是TGS成为商用热释电材料的主要原因。

　　相较于全无机材料，有机-无机杂化材料TGS在热释电电压输出上的优异表现意味着全有机材料可能蕴藏着性能优势。此外，全有机材料还具有轻质、柔软和生物相容性等先天优势，有望应用在可穿戴器件上。然而，目前已报道的全有机热释电材料有两大致命缺陷：热释电系数太低或工作温度低于室温。如何将全有机材料的热释电性能潜力发挥出来，是一个材料领域的难题。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A02组博士生周均言、金士锋副研究员和陈小龙研究员首次在全有机体系中发现高性能的热释电材料——金刚烷胺甲酸盐（AF），测定了其晶体结构，并成功生长出晶体。AF的F_v值达到了TGS的194%。除此之外，AF的密度仅为1.21 g/cm³，略高于液态水，硬度只有0.46 GPa。

　　AF拥有大的热释电系数（170 μC/cm²），主要归因于它会经历二级铁电-顺电相变。室温下，AF是铁电体（空间群为P2₁），具有自发极化；温度上升到327 K时，AF会转变为顺电相，空间群变为中心对称的P2₁/m，自发极化消失。与大多数铁电体不同，AF的相变是连续相变，即极化强度在较宽的温区内连续变化到0。

图1.  AF的晶体结构

　　结构分析表明，AF的热释电性主要来源于两个方面的贡献：温度变化时金刚烷胺离子的转动和甲酸根离子无序程度的变化。这两种机制是传统无机热释电材料不具备的。AF还展现出极罕见的负压电性，与其正的热膨胀特性相结合，进一步提高了热释电系数。并且，AF介电常数远低于其他商用热释电材料，使AF拥有超高的电压输出能力。

图2.  AF的热释电性

　　AF拥有低密度、低硬度和低成本等优势，其热释电性能在未来还有望通过斜切割、分子掺杂、分子修饰等手段进一步提高，具有广阔的应用前景。相关成果已申请发明专利（2020115485890），并以“Discovery of amantadine formate: toward achieving ultrahigh pyroelectric performances in organics”为题，最近发表于The Innovation 3(2),100204 (2022)。The Innovation 是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心，目前已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed等数据库收录（期刊网站：www.the-innovation.org）。

　　以上工作得到了中国科学院、国家重点研发计划、国家自然科学基金委等的支持。

　　原文链接：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100204