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《国家科学评论》在线发表我校师生参与完成的重大研究进展
【发布日期: 2021-01-07】 【来源: 】 【作者:】 【编辑:郭碧玮】 【点击量:】

众所周知,钙原子是一种碱土金属原子,具有两个价电子。迄今为止,自然条件下钙离子的唯一已知价态是+2,相对应的所有种类钙离子晶体都没有磁性且呈现绝缘性。

最近,我校师生参与研究的基于冷冻透射电子显微镜技术,在还原氧化石墨烯(rGO)膜上直接观察到了自然环境下生成的二维CaCl晶体,其中钙离子的价态为+1。相关理论和实验同时表明,这些二维CaCl晶体具有室温铁磁性、金属性、类压电性,可形成石墨烯–CaCl异质结,且具备显著的储氢和释氢能力。该成果以“2D CaCl crystals with metallicity, room-temperature ferromagnetism, heterojunction, piezoelectricity-like property, and monovalent calcium ion”为题,在《国家科学评论》(National Science Review)在线发表。

该研究由华东理工大学方海平教授主持,西安交通大学(第一单位)、上海大学、中国科学院上海应用物理研究所、浙江农林大学、华东师范大学和厦门大学相关团队共同完成了本项工作。其中,我校陈亮教授团队的本科生裘银伟参与完成Ca-Cl反晶样品制备、异质节制备及导电性测试工作,陈亮教授参与完成同步辐射实验、异质节压电实验、导电性测试实验及数据分析。

理论研究表明,这种异常晶体的形成是由于石墨烯表面的芳香环与钙离子之间的强阳离子-π相互作用所致。由于其他金属离子(如Mg2+、Fe2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+和Pb2+)与石墨表面也存在强的阳离子-π相互作用,初步研究也表明,其他金属阳离子也会形成类似的异常价态晶体。

二维CaCl晶体结构和CaCl@rGO薄膜的室温(300K)磁滞回线

此类二维CaCl晶体表现出金属性,也显示出明显的类压电性质。这种超出预期的类压电行为来源于两个方面:Ca离子的单价行为,以及两种元素(Ca和Cl)在压缩或拉伸应变下具有不同的电效应。因此,二维CaCl晶体是一种既具有金属特性又具有压电特性的新型物质材料,有望制备具有原子尺度和纳米尺度的电子器件,从而产生广泛应用。

这一发现是陈亮教授团队参与合作的关于溶液中水合离子与具有大量芳香环的表面(例如石墨烯、氧化石墨烯等)之间存在强水合离子-π作用的理论和应用方面的又一力作。

这些发现不仅在新颖的阳离子价态和奇异电磁学性质的二维晶体研究上取得了突破性进展,还在材料、生物(包括生物磁性起源)、化学和物理等方面都具有开创性的应用潜力。

论文链接地址:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa274

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