GEOMETRIC FRUSTRATION DRIVES SPONTANEOUS POLARISATION

Mesoscale Polarization by Geometric Frustration in Columnar Supramolecular Crystals
C S Zehe, J A Hill, N P Funnell, K Kreger, K P van der Zwan, A L Goodwin, H-W Schmidt, and J Senker
Angewandte Chemie International Edition 56, 4432-4437 (2017)

Columnar supramolecular phases with polarization along the columnar axis have potential for the development of ultrahigh-density memories as every single column might function as a memory element. By investigating structure and disorder for four columnar benzene-1,3,5-trisamides by total X-ray scattering and DFT calculations, we demonstrate that the column orientation, and thus the columnar dipole moment, is receptive to geometric frustration if the columns aggregate in a hexagonal rod packing. The frustration suppresses conventional antiferroelectric order and heightens the sensitivity towards collective intercolumnar packing effects. The latter finding allows for the building up of mesoscale domains with spontaneous polarization. Our results suggest how the complex interplay between steric and electrostatic interactions is influenced by a straightforward chemical design of the molecular synthons to create spontaneous polarization and to adjust mesoscale domain size.

German version:
Polarisation auf der Mesoskala durch geometrische Frustration in kolumnaren supramolekularen Kristallen
C S Zehe, J A Hill, N P Funnell, K Kreger, K P van der Zwan, A L Goodwin, H-W Schmidt, and J Senker
Angewandte Chemie 129, 4502-4508 (2017)

Kolumnare supramolekulare Phasen, die eine Polarisation entlang der Kolumnenachse aufweisen, haben das Potential zur Entwicklung von Datenspeichern mit ultrahoher Dichte, da jede einzelne Kolumne als Speicherelement fungieren kann. Wir zeigen anhand von Untersuchungen der Struktur und Unordnung von vier kolumnaren 1,3,5-Benzoltrisamiden mittels totaler Röntgenstreuung und DFT-Rechnungen, dass die Kolumnenorientierung und damit das kolumnare Dipolmoment empfindlich auf geometrische Frustration ist, sofern die Kolumnen in hexagonalen Stabpackungen aggregieren. Die Frustration unterdrückt die konventionelle antiferroelektrische Ordnung und erhöht die Sensitivität für kollektive interkolumnare Packungseffekte. Dieser Befund erlaubt es, Domänen auf der Mesoskala zu erzeugen, die eine spontane Polarisation aufweisen. Unsere Ergebnisse zeigen auf, wie das komplexe Zusammenspiel von sterischen und elektrostatischen Wechselwirkungen durch ein einfaches Design der molekularen Synthone beeinflusst wird, um spontane Polarisation zu erzeugen und die Größe der mesoskopischen Domänen einzustellen.