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发布时间:2019-05-15浏览次数:1630作者:张助华来源:澳门凯旋门网上娱乐学院供图:张助华责任编辑:王伟审核:招启军

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最近,美国化学学会会刊Journal ofthe American Chemical Society (JACS)在线发表了我校纳米科学研究所团队关于二维金属氢化物的最新研究成果。博士生周晓成与杭阳是论文的共同第一作者,张助华教授和郭万林院士为通讯作者,共同作者还包括刘立仁博士。JACS由美国化学会创办于1879年,至今拥有130多年历史,是材料与化学类领域最权威的综合性期刊之一。谷歌学术将所有学科分为八大领域,JACS位列材料与化学大领域第一。

很多材料具有天然的层状结构—原子在层内以强的化学键结合而层与层之间仅通过范德华力粘合。石墨是最典型的例子,由无数蜂窝结构的碳原子单层堆叠而成。通过机械剥离法分离出的碳原子单层便是石墨烯。采用类似的方式,人们陆续得到了单层氮化硼(俗称白石墨烯),单层过渡金属插层化合物,单层黑磷(俗称磷烯)等广泛研究的二维材料。2018年,基于先进的计算技术与模拟方法,人们从材料晶体结构数据库中鉴定出1800多种层状材料可剥离出稳定的二维材料,形成了数目庞大,功能各异的二维材料家族。

近年来,人们发现一些没有层状晶格结构的材料也能产出二维单层材料。这方面的例子有硅原子单层—硅烯、锗原子单层—锗烯、硼原子单层—硼烯等,而宏观硅、锗和硼材料却不具有层状的晶格结构。这类二维材料的诞生完全归功于人类的创造力,因此被称为人造二维材料。人造二维材料的晶格结构和化学成分高度可设计,能产生更丰富的性质,最近迅速成为材料领域的研究热点。然而,现有人造二维材料的一大缺陷是易与周围环境(如衬底,空气等)发生化学反应,从而改变它们本征的结构和性质,限制了它们的应用潜力。

最近,我校纳米科学研究所团队通过高通量计算和第一原理方法预测出一大类全新的二维金属氢化物材料。该研究发现了110种二维金属氢化物具有类似范德华粘合的弱层间相互作用以及良好的结构稳定性。而且,这类二维金属氢化物不易与周围环境发生化学反应,有利于实验的制备与转移。这一结果令研究者感到惊讶,因为宏观金属氢化物没有类似石墨的层状晶格结构。他们将其中的原因归结为氢在纳米尺度下的强大而灵活的成键能力。

更为重要的是这类二维材料具有丰富的物性;它们几乎可以提供现有材料所能企及的全部电子性质,从金属跨越到绝缘体,从铁磁体跨越到反铁磁体。研究者还在这类材料中发现了多类对称性保护的拓扑电子态,包括狄拉克锥半金属、节环半金属以及拓扑绝缘体;这些材料中的电子运动速率可趋近光速,具有制造高频电子器件的应用潜力。二维金属氢化物是二维材料家族崭新的成员,将带给我们更多的惊喜,有待实验与理论研究的进一步挖掘。

论文链接:

https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/full/10.1021/jacs.9b02279