作为电光材料的复合有机-无机钙钛矿结构晶体

相关申请交叉引用

本申请要求于2020年10月9日提交的申请号为17/067,213、发明名称为“作为电光材料的复合有机-无机钙钛矿结构晶体(HYBRID ORGANIC-INORGANIC PEROVSKITE-STRUCTURED CRYSTALS AS ELECTRO-OPTIC MATERIALS)”的美国专利申请以及2020年6月26日提交的申请号为63/044,883、发明名称为“作为电光材料的复合有机-无机钙钛矿结构晶体(HYBRID ORGANIC-INORGANIC PEROVSKITE-STRUCTURED CRYSTALS AS ELECTRO-OPTICMATERIALS)”的美国专利申请的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明大体上涉及电光材料领域，尤其涉及电光效应改进(尤其是电光系数更大)的特定晶体结构。

背景技术

传统的片上光调制器是使用硅p-n结制造的。这些调制器能够提供硅光子应用所需的速度和调制深度。然而，基于p-n结的调制器通常导致高光损耗，并且通常需要大的占用空间。替代材料和设备是可用的，但它们有自己的局限性。具体地，有机电光材料可以提供所有所需的性能特性，但由于材料不稳定，它们失去了优势。其他材料包括无机晶体，如LiNbO

因此，需要一种可以通过提供硅光子应用所需的速度和调制深度、低光学损耗、标准操作条件下的稳定性以及与硅光子架构的兼容性来消除或减少现有技术中一个或多个局限性的材料，具体是因为该材料可以在硅光子芯片上实现占用空间小的调制器。

背景技术的目的是揭示申请人认为可能与本发明相关的信息。没有必要承认也不应解释任何前述信息构成与本发明相对的现有技术。

发明内容

本发明涉及一类新的材料，这种材料可以将无机材料的稳定性与某些能够与硅光子芯片集成的有机材料的高电光(electro-optic，EO)性能结合起来。新的EO材料能够提供高效率，从而使得光子芯片的占用空间更小。

与有机EO材料类似，新的有机-无机EO材料的EO响应是由分子碳链上的受体和供体基团提供的。该碳链可以固定在钙钛矿结构内。在一些实施例中，使用2.5维钙钛矿结构。在一些实施例中，可以使用二维(two-dimensional，2D)钙钛矿结构。无机钙钛矿支架的稳定性和钙钛矿内部EO分子的设计相结合，可以产生新材料的稳定、高效性能。

一些实施例可以掺入有机分子，其中，有机分子被设计成功能性以在所述钙钛矿晶体中产生大的宏观偶极矩。

此外，在本发明的实施例中，将有机分子结合到支架上的配体可以设计为非中心对称(但不是必须)，有助于大的本征偶极子和相应大的EO响应。配体及其产生偶极子的官能团的设计有一个限制，即它需要能够适应无机支架。也没有提出用于这些目的的配体的合理设计。

以下实施例描述了杂交分子嵌入的钙钛矿结构晶体的不同构型和设计。

附图说明

图1示出了无机钙钛矿结构支架的实施例，其中，在所述无机钙钛矿结构支架中已经嵌入有机分子，每个有机分子具有两个官能团。每个分子的定向使其纵向极化平行于a轴。

图2示出了无机钙钛矿结构支架的实施例，其中，在所述无机钙钛矿结构支架中已经嵌入有机分子，每个有机分子具有一个官能团。每个分子的定向使其纵向极化平行于a轴。

图3示出了无机钙钛矿结构支架的实施例，其中，在所述无机钙钛矿结构支架中已经嵌入两个有机分子，每个有机分子具有两个官能团。分子的定向使得，大约一半分子的纵向极化平行于a轴，大约一半分子的纵向极化反平行于a轴，并且这两个定向都是均匀分布的，抵消了沿着a轴的任何宏观偶极子。此外，由于每个边组沿着c轴指向相同的方向，因此近似沿着c轴创建极化。

图4示出了无机钙钛矿结构支架的实施例，其中，在所述无机钙钛矿结构支架中已经嵌入有机分子，每个有机分子具有一个官能团。分子的定向使得，大约一半分子的纵向极化平行于a轴，大约一半分子的纵向极化反平行于a轴，并且这两个定向都是均匀分布的，抵消了沿着a轴的任何宏观偶极子。此外，由于每个边组沿着c轴指向相同的方向，因此近似沿着c轴创建极化。

图5示出了无机钙钛矿结构晶体的实施例，其中，在所述无机钙钛矿结构晶体中已经嵌入有机分子。分子以相同的方向排列，并产生钙钛矿结构晶体无机层内原子排列的扭曲结构。原子位移的扭曲结构并不依赖于分子偶极子，但它们可以被分子侧基增强。

图6A示出了包括受体官能团和供体官能团的有机分子。

图6B示出了受体-供体分子不固定在支架中并在净极化降低时经历自发重新定向的场景。

图6C示出了受体-供体分子固定在钙钛矿支架中的构型。

图6D示出了本发明实施例提供的三种不同的有机分子。

图7A示出了包含PbBr

图7B从另一个角度示出了包含PbBr

图7C示出了本发明实施例提供的样品的x射线衍射光谱。

图7D示出了本发明的样品实施例在温度范围内的x射线衍射光谱。

图8A示出了由密度泛函理论计算软件表示的本发明的实施例。

图8B示出了与图8A相同但另一角度下的实施例。

图8C示出了由密度泛函理论计算软件表示的本发明的另一个实施例。

图8D示出了由密度泛函理论计算软件表示的本发明的又一个实施例。

图9为图8A、图8B、图8C和图8D的实施例的理论贝瑞相位极化值的表。

图10示出了用于测量样品晶体的电光系数的光学设置。

图11为本发明的一个实施例提供的极化对杂化材料的电光系数的影响的曲线图。

图12为在示例性样品上施加调制电压的影响的曲线图。结果表示为由光电检测器测量波长为1.55微米的极化光束产生的电压，该极化光束通过样品传输。

具体实施方式

本发明的实施例需要一类新的紧密相关的高性能电光(electro-optic，EO)材料，其光学损耗足够低，以至于EO材料可用于在硅光子芯片上实现较小占用空间的调制器。这些材料结合了有机分子的高EO性能和无机材料的稳定性。

在本发明的实施例中，有机-无机EO材料的EO响应是由分子碳链上的受体和供体基团提供的。这条碳链固定在一个降维钙钛矿结构晶体内。降维钙钛矿结构晶体是一种包含无机支架层以及有机材料层的晶体。当2个有机材料层被单个钙钛矿正八面体层分开时，结构被标识为“2D”。然而，当2个有机材料层被N个钙钛矿八面体层分开时，N>1，结构被标识为“2.5D”。在一些实施例中，可以使用2.5D钙钛矿结构晶体。在一些实施例中，可以使用2D钙钛矿结构晶体。无机钙钛矿支架的稳定性和钙钛矿内部EO分子的设计相结合，可以产生新材料的稳定、高效性能。

在本发明的实施例中，杂化有机-无机EO材料基于2.5D金属卤化物钙钛矿结构晶体。这些材料可以具有由有机配体分离的无机层组成的层状结构。无机层可以像量子阱一样发挥作用，在量子阱中，阱的宽度可以通过调整每个无机层的厚度来调整。这可用于调节发光和光收集2.5D钙钛矿材料的带隙。配体分子可以被修饰以调节无机层的分离，这可以导致无机层之间的串扰和杂化材料的导电性。

在本发明的实施例中，配体可以设计成具有较大本征偶极子的官能，该偶极子促进较大的非中心对称性和相应较大的EO响应。配体及其产生偶极子的官能团的设计有一个限制，即它需要能够适应无机支架。

在本发明的实施例中，无机EO材料被设计成通过在其中加入有机EO材料来促进较大的EO响应。对于有机EO材料在宏观水平上产生EO响应，分子需要以某种方式共对准。在纯有机EO材料中，分子很容易失去排列，从而降低EO性能。然而，在本发明的杂化EO材料中，无机支架确保分子的强键合，防止分子失去它们的排列，从而保持EO性能。

分子的设计可以涉及官能团，这些官能团既可以结合无机层，又可以产生大的偶极矩，以促进较大的EO响应。这种多功能性可以允许杂化架构得到优化，以达到有机分子的性能水平。这些材料可以从溶液中加工，从而允许与硅光子芯片上的调制器结构轻松组合。这与其他无机EO材料形成了鲜明对比，这些材料几乎都需要在高温下生长，因此不容易与片上应用兼容。

本发明实施例中的杂化2.5D材料是其光电子特性可以被设计成在标准通信波长下展示低光损耗的半导体。由于它们不需要掺杂，光学传播损耗可以远低于由硅制成的p-n结的损耗。

以下实施例描述了杂交分子嵌入的钙钛矿结构晶体的不同构型和设计。

在第一个实施例对照组中，有机分子被设计成包含可促进偶极子的受体和供体官能团。受体官能团可以是本领域已知和理解的许多不同官能团中的任何一个，包括卤化基、-CF

在一些实施例中，分子可以在晶体结构中对齐，使得每个分子的偶极子定向在与同层中其他分子的偶极子相同的方向上。这可以通过例如将分子放置在钙钛矿结构内来实现，使得同一分子层的所有供体基团都在无机层的一侧，而另一层分子的所有受体基团都在同一无机层的相反一侧，或者反之亦然。宏观晶体可以由这些无机-有机-无机层组成。为了使宏观晶体的偶极矩最大化，所有层上的所有分子都可以平行并定向在相同的方向上。

图1示出了一个实施例，其中层状钙钛矿结构晶体可以通过将有机分子110固定到其无机晶格120上而密集地包装和定向有机分子110。在本实施例中，每个分子沿着分子的碳链包含较大偶极子130。偶极子由存在于每个分子的任一端的受体和供体官能团140产生。分子110以有序的方式排列，使得所有偶极子都指向相同的方向。在图1中，偶极子沿着每个分子的碳链排列或平行于每个分子的碳链排列，并且它们产生整个晶体的宏观极化150。

在图1所示的实施例中，偶极子130由受体基团和供体基团140产生，受体基团和供体基团140相距很远，并由导电碳链分离。受体官能团和供体官能团的这种间隔可以为给定分子中的偶极矩提供最高可能的幅度。所有分子都与它们的偶极子对准，它们沿着碳链指向相同的方向，这产生了宏观尺度上最大的偶极矩150。因此，这些实施例代表了一种用于最大化从杂化有机-无机钙钛矿结构晶体寻求的电光效应的设计。

在第二个实施例对照组中，嵌入的有机分子可以设计成包含受体官能团和供体官能团中的一个或另一个，这也可以促进偶极子。受体官能团可以是本领域已知和理解的许多不同官能团中的任何一个，包括卤化基、-CF

在这些其它实施例中，分子可以在晶体结构中对齐，以确保每个分子的偶极子定向在相同的方向上。例如，这可以通过将分子放置在钙钛矿结构内，使得所有受体或供体官能团都在无机层的同一侧来实现。宏观晶体可以由这些交替的无机和有机层组成。为了使宏观晶体的偶极矩最大化，所有层上的所有分子都可以平行并定向在相同的方向上。

图2示出了第二个对照组的实施例，其中层状钙钛矿结构晶体可以通过将有机分子210固定到其无机晶格220上而密集地包装和定向有机分子210。在这些实施例中，每个分子沿着分子的碳链包含较大偶极子230。偶极子由存在于每个分子一端的受体官能团和供体官能团240中的一个产生。分子以有序的方式排列，使得所有偶极子都指向相同的方向。在图2中，偶极子沿着每个分子排列，它们产生整个钙钛矿结构晶体的极化250。应当理解，在制造过程中，可能不可能100％的偶极子与其他偶极子平行排列，并且基本上完全对齐就足够了。

在可以由图2表示的实施例中，每个偶极子230由单个官能团240产生。由于有机分子210的碳链是导电的，因此仍然有可能由分子产生较大偶极矩，但它可以比一些其他实施方案中的偶极矩弱。所有分子都可以对齐，使得所有偶极子沿着它们的碳链指向大致相同的方向，这可以产生相应的较大的宏观偶极矩250。应当理解，在制造过程中，可能不可能100％的偶极子与其他偶极子平行排列，并且基本上完全对齐就足够了。

在第三个实施例对照组中，有机分子被设计成包含受体和供体官能团，例如促进偶极子在近似平行于无机分子层的方向上，而不是近似垂直于无机分子层的方向。受体官能团可以是本领域已知和理解的许多不同官能团中的任何一个，包括卤化基、-CF

在第三个实施例对照组中，有机分子在晶体结构中相互对齐，但官能团可以在结构中随机组织。这样，一个有机分子的偶极矩被其官能团在相反方向上的分子的偶极矩抵消。有效地，一种类型的官能团在分子碳链的一侧对齐，另一种类型的官能团在分子碳链的另一侧对齐。这样，偶极矩在有机层的平面上或平行于有机层，而不是垂直于有机层。为了使宏观钙钛矿结构晶体呈现偶极矩，其所有层都必须包含有机分子，每层都具有在层平面的一个方向上排列的官能团，以及在层平面的另一个相反方向上排列的另一个官能团。

图3示出了一个实施例，其中层状钙钛矿结构晶体可以通过将有机分子310固定到其无机晶格320上而密集地包装和定向有机分子310。在图3所示的实施例中，有机分子可以沿着其碳主链具有较大偶极子330。偶极子由存在于每个有机分子的任一端的受体和供体官能团340产生。然而，在晶体的a轴中，有机分子以两个定向中的任一个随机定向，使得一些分子的偶极子指向晶体的一端330，而另一些分子指向晶体的另一端350。这在有机分子和晶体a轴的方向上产生了一个净零偶极子。在这些实施例中，有机分子的官能团在平面内方向，例如c轴，所有供体360指向一个平面内方向，所有受体基团340指向相反的平面内方向。这在沿平面的方向上产生了净偶极矩。在图3中，供体360在碳链的左侧对齐，受体340在右侧对齐，从而产生朝向右侧或平行于c轴的极化370。由此产生平行宏观极化380。

图3所示的实施例是上述有效设计的替代版本。很难控制层状钙钛矿结构晶体内分子的定向。例如，某些分子可能会堆叠起来，它们的偶极子随机指向上或下。或者，在单层中，偶极子可能是单向的，但在下一层中，它们可能是相反的方向。所有这些构型都会产生非常低的宏观偶极矩。该所示实施例不需要依赖偶极子的垂直对齐。相反，有一个水平的平面内对齐。即使在晶体生长之后，通过在大电场存在下将其加热到大约其玻化转变温度，也可以更好地控制定向。电场将迫使官能团沿着场对齐，冷却后，晶体的分子将以优选的构型冷冻。

在图3所示的实施例中，偶极子在位于碳链的某个地方并由导电部分分离的供体和受体之间产生。这可以确保宏观偶极子的大小是巨大的。

在第四个实施例对照组中，有机分子被设计成仅包含受体官能团或供体官能团中的一个，以便在沿着层状平面的方向上促进偶极子。受体官能团可以是本领域已知和理解的许多不同官能团中的任何一个，包括卤化基、-CF

在这些实施例中，有机分子在晶体结构中排列，但它们的官能团沿着结构的平面垂直方向随机定向。这样，一个分子的偶极矩被其官能团在相反方向上的相邻分子的偶极矩抵消。相反，所有官能团都在分子碳链的一端对齐。这样，在有机层平面中产生偶极矩。为了使宏观晶体呈现偶极矩，所有钙钛矿层都必须包含有机分子，在有机分子中官能团在层的平面中的一个方向上对齐。

图4示出了层状钙钛矿结构晶体可以通过将有机分子410固定到其无机晶格420上而密集地包装和定向有机分子410。在这些实施例中，有机分子可以沿着其碳链具有较大偶极子430。偶极子430可以由存在于分子一端的官能团产生。在这些实施例中，官能团要么都是供体，要么都是受体。然而，分子沿着晶体的a轴或平面垂直(垂直)方向随机定向，使得一些大约一半的分子的偶极子定向到钙钛矿晶体的一端430，而另一些分子定向到晶体435的另一端。这将沿着a轴(垂直)方向创建一个净零偶极子。在这些实施例中，官能团在水平(平面内)方向上对齐，所有官能团在一个水平方向上对齐，例如c轴。这在水平平面上产生了净偶极矩440。在图4中，受体都在碳链的右侧，从而产生向右侧的宏观极化450。

第四个对照组的实施例与第三个对照组的实施例相似，只是官能团只是供体或受体。同时拥有供体和受体可以产生空间障碍，以适应钙钛矿晶体内的分子。有一些设计工具可以避免空间障碍，如无机钙钛矿晶体的组成物。然而，仅使用一个官能团也可以为有机分子提供一种设计工具，以适应钙钛矿支架。

在第五个实施例对照组中，有机分子用于产生钙钛矿层无机部分中原子排列的扭曲结构。在这些实施例中，分子不一定需要具有导电碳链。此外，分子不一定非得是非中心对称的。然而，通过向其添加一个或多个受体和/或供体官能团，它的作用可以通过非中心对称性来增强。无论所得分子是否是中心对称的，添加的官能团都能在钙钛矿结构的无机部分引起轻微的原子位移。此外，分子中的非中心对称性也可以通过分子在晶体内的定向而产生。为了使偶极矩在宏观尺度上具有显著性，这些位移需要在相同的方向上对齐。这可能要求所有分子在一个相同的方向上排序。

图5示出了层状钙钛矿结构晶体510可以通过将有机分子520固定到其无机晶格510上而密集地包装和定向有机分子520。有机分子可以以致密的、排列的方式包装在层状晶体内，并且晶体内分子的定向可以产生无机层510的原子的位移，无论分子是否中心对称。支架的原子位移导致整体非中心对称和自发极化，从而允许晶体作为一个整体产生宏观电光效应。

第五个实施例对照组较少依赖有机分子的官能团，但更多的是依赖钙钛矿结构的无机层内原子的位移。在这些实施例中，总体非中心对称可以来自有机分子碳链本身，因此不一定需要依赖于分子上的官能团附着物或固有分子偶极子的特殊设计和合成。这使得分子的合成以及最终材料的合成变得简单得多。通常，产生的原子位移相当小，产生较小偶极矩，因此产生较小的宏观电光效应。

本发明的实施例可以用单晶生长方法和有机化合物合成方法来实现，这些方法在本领域中已知，并在形成本申请一部分的所附附录中详细说明。

本发明的实施例可用于依赖于类似的电光、极化和可极化材料的器件和仪器，包括半导体、光伏、发光二极管、激光源和光电检测器。

在本发明的实施例中，具有本征偶极子的非中心对称有机分子一旦掺入晶体结构中，可以通过加热晶体接近其玻璃转变温度并向其施加电场来对齐。这一过程还可以产生和增强晶体支架本身的极化。

图6A示出了一端具有电子供体和另一端具有电子受体的有机分子610的一个实施例。

图6B示出了多个有机分子610。当在没有晶体支架620的情况下施加电场时，有机分子会对齐；然而，一旦电场被去除，有机分子往往会经历热弛豫630。

然而，图6C示出了支架如何在去除场时防止这种无组织640。

图6D示出了各种有机分子，每个分子被设计成具有不同的官能团。中心对称分子650不具有本征偶极子。在一端或附近连接极性官能团，如三氟甲基基团，以产生分子660，或连接氟基团以产生分子670，可以为所得有机分子提供本征偶极子。可以观察到，体积较大的三氟甲基基团的掺入导致相邻分子之间的空间相互作用，导致晶格内有机分子的排列不整齐。较小的氟基团的掺入产生了具有适当偶极子的有机分子，该偶极子适当地在晶格中，而不损害其完整性。

在本发明的杂化材料的一个实施例中，无机钙钛矿结构晶体是PbBr

图7A示出了根据本发明的杂化材料，包括PbBr

图7B示出了与图7A中相同的杂化材料，但垂直于层平面(a轴)而不是平行于层平面(a轴)。

图7C示出了杂化材料样品的x射线衍射数据。具体地，图7C示出了光束强度(垂直轴)作为光束方向(水平轴)的函数的结果，并示出了特征结晶峰。

图7D还示出了光束强度(暗阴影)的结果，作为光束方向(水平轴)和样品温度(垂直轴)的函数。它表明，结晶峰保持在至少270摄氏度的循环中，从而确认了材料在这样的温度下的稳定性。

本发明不同构型的贝瑞(Berry)相位极化可以使用密度泛函理论(densityfunctional theory，DFT)计算。

图8A示出了由DFT计算软件表示的本发明的实施例。示出了一种含有垂直排列的非极性分子的结构，该分子具有官能团，以促进两端的结合。这些是分子650。由于这些分子650中的每个分子在其碳链长度是非极性的，因此所得偶极子箭头的大小可以很小，并且其方向难以预测。

图8B示出了包含垂直排列的分子的结构，所述分子是随机定向的，因为有机分子的碳链都垂直于层810，但官能团的位置是随机的。在这里，嵌入的分子是670。

图8C示出了分子670的定向，使得它们的官能团对齐，以在近似垂直于层810的方向上产生偶极子。

图8D示出了分子670的定向，使得它们的官能团对齐，以在近似平行于层的方向上产生偶极子。由于这些分子670中的每个分子在其碳链长度是极性的，因此所得偶极子箭头的大小可以大于分子650，并且其方向更好地与层的垂直性对齐。

当分子被对齐以使其碳链偶极子都近似沿着a轴定向时，宏观极化也近似沿着a轴，如图8C所示。然而，当分子的碳链偶极子沿着c轴定向时，宏观极化也沿着c轴，如图8D所示。构型8A和8B(其中分子分别没有本征偶极子，以及沿a轴随机定向的偶极子)也可以产生宏观极化，但是是很小的极化，至少部分原因是晶格原子的位移。

图9是用DFT计算的图8A、图8B、图8C和图8D实施例以μC-cm

本发明的杂化材料可以光学方式分析。具体地，通过杂化晶体的实施例传输的极化光束的强度作为施加于晶体样品的电压调制频率的函数测量，产生沿垂直于平面r

图10示出了用于测量样品晶体的电光系数的光学设置。样品透明的光束1010由第一极化器1020极化，并被引导到样品晶体1030。调制电压偏置由函数发生器1040施加到晶体上，锁定放大器1050协调检测器1060，以仅读取具有调制频率的入射信号，以便过滤掉房间中的任何其他不相关的信号噪声。光束被引导到用于光束连续延迟的补偿器1070和第二极化器1080，第二极化器1080用作极化分析仪，以允许检测器观察偏置晶体对极化光束的影响。

图11为使用图10的光学设置使用样品实施例获得的结果的图表。可以看出，当样品晶体在材料玻璃温度附近以大偏置极化时，当所有偶极子都是随机定向时，EO系数(如r

图12为在实施例样品上施加调制电压的影响的曲线图。结果表示为由光电检测器测量波长为1.55微米的极化光束产生的电压，该极化光束通过样品传输。

2.5D钙钛矿晶体可用于各种应用，包括光发射和光伏。在光发射应用中，有机分子可以用作间隔层，以分离作为量子阱的无机层。在光伏领域，2.5D钙钛矿用于钝化目的。然而，对于这两种应用，2.5D钙钛矿的层必须是薄的，因为在垂直于层的方向上导电性非常低。利用导电碳链增加了材料的导电性。如上所述，在一些实施例中，可以使用2D钙钛矿。

所讨论的官能团也可用于微调混合2.5D钙钛矿结构晶体的发射特性。

本发明的一个方面提供了一种结晶材料。这种结晶材料包括M层无机结晶材料和N层有机分子，其中，有机分子相对于无机材料层排列以形成结晶结构，每层有机分子与无机结晶材料的至少一层相邻，使得结晶材料是电光响应的。在一些实施例中，无机结晶材料包括钙钛矿结构晶格。在一些实施例中，钙钛矿结构晶格的晶格位置被金属和卤化物占据。在一些实施例中，结晶材料包括有机三卤化铅钙钛矿结构晶格。在一些实施例中，结晶材料包括降维有机三卤化铅钙钛矿结构晶格。在一些实施例中，排列的有机分子结合到无机层上，并在无机层之间形成桥。在一些实施例中，有机分子包括初级碳原子链。在一些实施例中，有机分子包括具有本征偶极子的有机分子。在一些实施例中，具有本征偶极子的有机分子在无机层中产生原子位移，从而在结晶材料中产生可观察到的宏观电光响应。在一些实施例中，碳原子链包含导电键。在一些实施例中，有机层在近似垂直于结晶材料层的方向上电极化。在一些实施例中，有机层在近似平行于结晶材料层的方向上电极化。在一些实施例中，有机分子含有至少一个官能团，有助于：将分子键合到无机结晶材料层上，并增强分子的本征偶极子。在一些实施例中，官能团是电子供体。在一些实施例中，官能团是电子受体。在一些实施例中，有机分子包括不具有本征偶极子的有机分子。在一些实施例中，不具有本征偶极子的有机分子在无机层中产生原子位移，从而在结晶材料中产生可观察到的宏观电光响应。在一些实施例中，N小于M。在一些实施例中，有机分子垂直于无机材料层排列。在一些实施例中，有机分子与无机材料层以约30度或45度排列。

本发明的晶体是结晶的，因为它们可以具有任何程度的结晶度，这可以用传统的x射线晶体学技术测定。不要求结晶结构没有缺陷，如但不限于空位、滑移缺陷或多晶体的存在。为了进一步清楚起见，缺陷不使本发明的结构被认为是结晶的。

本发明的实施例提到电光学，但宏观电光响应很重要的其他应用也可以受益于新类别的材料。这些应用包括那些利用压电性和铁电性的应用。

上面结合本发明的方面描述了实施例，这些实施例可以基于这些方面实现。本领域技术人员将理解，实施例可以结合描述它们的方面来实现，但也可以与该方面的其它实施例一起实现。当实施例相互排斥或彼此不兼容时，本领域技术人员将是显而易见的。一些实施例可以结合一个方面进行描述，但也可以适用于其它方面，这对本领域技术人员来说是显而易见的。

尽管已经参考本发明的特定特征和实施例描述了本发明，但是明显在不脱离本发明的情况下可以制定本发明的各种修改和组合。说明书和附图仅被视为所附权利要求书所定义的本发明的说明并且考虑落于本说明书的范围内的任何和所有修改、变体、组合或均等物。