作者:付磊等 来源:《国家科学评论》 发布时间:2021/9/30 17:07:18
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二维稀土氧化物演绎“变脸术”

稀土元素特殊的4f电子结构为稀土氧化物(REO)带来了新奇的物理和化学性质,使其在光、磁、电子和催化等领域具有广泛应用。对二维REO晶体进行精细的晶面调控,使其暴露具有特定取向的晶面,会影响其光学、电学、疏水性、磁性和催化性能。然而,可控地合成具有特定晶面的二维单晶仍然是这一领域的瓶颈,这对于探索REO在二维限域下的新特性至关重要。首先,REO本身的非层状结构使得其难以通过剥离实现其二维化,同时也阻碍了晶体的二维各向异性生长。其次,二维晶体主要倾向于暴露热力学上稳定的低表面能(γ)晶面,这阻碍了对其他的高活性晶面的研究。因此,精准合成具有特定晶面的二维REO单晶仍是一个挑战。

针对这一难题,武汉大学付磊/曾梦琪团队通过构筑“软硬酸碱”对实现了具有特定晶面的REO的二维成核与生长,获得了从轻稀土到重稀土元素的具有特定晶面的一系列高质量二维氧化物单晶,并对其晶面相关的磁性进行了探究。该研究以“General synthesis of 2D rare-earth oxides single crystals with tailorable facet”为题发表在《国家科学评论》(National Science Review,NSR)上。

该方法的关键在于采用卤化铵(NH4X)作为晶面控制剂(FCA),调控FCA的量是二维REO成功演绎“变脸术”的秘诀。REO晶体从液态金属中析出时,引入的FCA在高温下分解获得的Cl、Br、I分别作为硬碱、临界碱和软碱与作为硬酸的稀土离子之间发生相互作用。这种作用阻碍了REO在三维方向上的生长,由此实现了晶体的二维化。同时,通过改变加入FCA的量可以调控二维REO各晶面的表面能。加入FCA的量比较少时,REO倾向于暴露表面能较低的(111)晶面。随着FCA量的增加,(100)晶面的表面能降低并小于(111)晶面,二维REO此时倾向暴露(100)晶面,轻松实现“变脸”。最后,研究还发现利用该方法得到的两种不同晶面的二维REO晶体的磁性存在差异。

总而言之,在该工作中作者利用FCA与REO构筑软硬酸碱对这一策略实现了一系列具有特定晶面的高质量二维REO单晶的合成,并且探索了不同晶面的晶体在磁性上的差异。该研究有望推广至其他二维非层状材料的各向异性生长。此外,该方法为获得更多暴露高活性晶面的二维晶体奠定了基础,同时也为探索REO在二维限域条件下的新特性提供了平台。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab153

 
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