美国化学学会会刊(JACS)发表纳米科学研究所团队最新研究成果

近日,纳米科学研究所团队的一项新的研究成果荣登美国化学学会会刊(JACS)!

这是一项关于二维金属氢化物的研究成果,第一作者是博士生周晓成与杭阳,通讯作者为张助华教授和郭万林院士,共同作者还包括刘立仁博士。

那么二维金属氢化物到底是什么?让我们一起来揭开这神奇的面纱吧!

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,研究者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。

天然的层状结构可以机械分离出单层原子,那原本没有层状晶格的材料是否可以产出二维单层材料呢?
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。而现有人造二维材料一大缺陷是易与周围环境发生化学反应,从而改变它们本征的结构和性质,限制了它们的应用潜力。而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。这归因于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,让我们拭目以待。

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

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A Large Family of Synthetic Two-Dimensional Metal Hydrides