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      《國家科學評論》在線發表我校師生參與完成的重大研究進展
      【發布日期: 2021-01-07】 【來源: 】 【作者:】 【編輯:郭碧瑋】 【點擊量:

      眾所周知,鈣原子是一種堿土金屬原子,具有兩個價電子。迄今為止,自然條件下鈣離子的唯一已知價態是+2,相對應的所有種類鈣離子晶體都沒有磁性且呈現絕緣性。

      最近,我校師生參與研究的基于冷凍透射電子顯微鏡技術,在還原氧化石墨烯(rGO)膜上直接觀察到了自然環境下生成的二維CaCl晶體,其中鈣離子的價態為+1。相關理論和實驗同時表明,這些二維CaCl晶體具有室溫鐵磁性、金屬性、類壓電性,可形成石墨烯–CaCl異質結,且具備顯著的儲氫和釋氫能力。該成果以“2D CaCl crystals with metallicity, room-temperature ferromagnetism, heterojunction, piezoelectricity-like property, and monovalent calcium ion”為題,在《國家科學評論》(National Science Review)在線發表。

      該研究由華東理工大學方海平教授主持,西安交通大學(第一單位)、上海大學、中國科學院上海應用物理研究所、浙江農林大學、華東師范大學和廈門大學相關團隊共同完成了本項工作。其中,我校陳亮教授團隊的本科生裘銀偉參與完成Ca-Cl反晶樣品制備、異質節制備及導電性測試工作,陳亮教授參與完成同步輻射實驗、異質節壓電實驗、導電性測試實驗及數據分析。

      理論研究表明,這種異常晶體的形成是由于石墨烯表面的芳香環與鈣離子之間的強陽離子-π相互作用所致。由于其他金屬離子(如Mg2+、Fe2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+和Pb2+)與石墨表面也存在強的陽離子-π相互作用,初步研究也表明,其他金屬陽離子也會形成類似的異常價態晶體。

      二維CaCl晶體結構和CaCl@rGO薄膜的室溫(300K)磁滯回線

      此類二維CaCl晶體表現出金屬性,也顯示出明顯的類壓電性質。這種超出預期的類壓電行為來源于兩個方面:Ca離子的單價行為,以及兩種元素(Ca和Cl)在壓縮或拉伸應變下具有不同的電效應。因此,二維CaCl晶體是一種既具有金屬特性又具有壓電特性的新型物質材料,有望制備具有原子尺度和納米尺度的電子器件,從而產生廣泛應用。

      這一發現是陳亮教授團隊參與合作的關于溶液中水合離子與具有大量芳香環的表面(例如石墨烯、氧化石墨烯等)之間存在強水合離子-π作用的理論和應用方面的又一力作。

      這些發現不僅在新穎的陽離子價態和奇異電磁學性質的二維晶體研究上取得了突破性進展,還在材料、生物(包括生物磁性起源)、化學和物理等方面都具有開創性的應用潛力。

      論文鏈接地址:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa274。

      (理學院)

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