工学院孙强教授研究组在二维多孔材料研究方面取得新进展

美国化学学会会刊《J. Am. Chem. Soc.》最近刊发了工学院材料科学与工程系、北京大学应用物理与技术研究中心孙强教授研究组的论文“Magnetism of phthalocyanine-based organometallic single porous sheet” (http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja204990j), 报导了他们在二维多孔金属有机单原子层材料研究方面所取得的最新成果。

在新材料的研发过程中,维度已成为调制物质结构和特性的一个重要参数。当材料由三维结构变到二维、一维和零维时,其几何结构和物理化学特性将发生显著的变化。 石墨烯的发现打破了二维单层原子晶体不可能存在的理论推断,引发了目前人们对二维单原子层材料的研究热潮。这不仅成为纳米科学领域中产生新知识的重要源头之一, 而且为研制高性能功能纳米材料和器件提供了契机。除石墨烯以外,其它单原子层结构如BN sheet及石墨烯与BN的杂化sheet也相继被合成出来。目前该领域的研究热点之一是对单原子层材料进行功能化修饰。人们一直梦想能在这些单原子层材料中有规且离散地引入过渡金属原子以构成新型的单原子层磁性材料、催化材料和气体吸附材料,但由于过渡金属原子容易聚集,这一梦想一直未能在石墨烯和BN单原子层中实现。

针对这些挑战性问题,基于一些最新的实验结果和酞菁分子(Pc)组装的灵活性,孙强教授研究组利用第一性原理、平均场理论和蒙特卡罗模拟系统研究了一系列含有过渡金属原子(Cr,Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn)的二维多孔单原子酞菁结构。在这些结构中,金属原子均匀地分散在酞菁孔中,具有稳定的几何构型。研究发现,二维的NiPc和ZnPc是非磁的,二维的MPc (M=Cr, Fe,Co, Cu)呈反铁磁性,而在二维的MnPc sheet中,由于存在有效的p-d 交换相互作用,使得体系具有长程铁磁性,其居里温度约为150 K左右,可与目前实验上合成的具有最高居里温度的(Ga, Mn)As稀磁半导体相媲美。该研究不仅深化了人们对过渡金属原子在二维酞菁结构中磁耦合相互作用的认识,而且将传统的稀磁半导体材料拓展到二维有机单原子层结构。此外,与石墨烯和BN sheet相比,二维多孔金属有机单原子层结构具有更灵活的配位成键和更丰富、更可控的结构与功能。《JACS》的审稿人高度称赞了该研究的重要性和及时性,指出了其重大的发展潜力:“The above results are indeed important to explorations of new types of 2D atomic sheet based materials…”、“These systems are of high potential interest for nanophysics applications and fundamental research…”、“The theoretical results are timely…”。

该论文的第一作者是博士研究生周健, 通讯作者为孙强教授。该研究得到国家自然科学基金委和973项目的资助。

二维MnPc多孔单原子层的结构与磁性

 

 

编辑:素馨

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