研究发现突破传统二价金属离子化合物认知新晶体

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  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。近日,华东理工大学理学院方海平教授课题组基于理论分析,结合冷冻透射电子显微镜及同步辐射等技术,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。同时,实验证明,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。相关成果近日在线发表于《国家科学评论》。

  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。

  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。

  值得强调的是,CaCl晶体表现出室温铁磁性,这一发现打破了人们普遍认同的主族金属元素不会具有室温铁磁性的传统观念。理论计算表明,这种室温铁磁性同样来源于两个方面:+1价Ca离子中的不成对价电子,以及相应反常二维晶体结构的边缘或者缺陷效应。因此可以预测,其他金属元素也可通过形成类似的反常二维晶体从而具有室温铁磁性。

  研究人员表示,该类二维晶体的奇异性质和行为也将拓展功能化石墨烯的应用。此外,考虑到金属阳离子和碳在地球上的广泛分布,这种具有先前未被认识的性质的纳米级特殊化合物可能在自然界中广泛存在。

  该工作由方海平团队联合西安交通大学、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等相关团队共同完成。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa274。

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