北大工學院在二維多孔材料研究方面取得新進展
美國化學學會會刊《J. Am. Chem. Soc.》最近刊發了北京大學工學院材料科學與工程系、北京大學應用物理與技術研究中心孫強教授研究組的論文“Magnetism of phthalocyanine-based organometallic single porous sheet” (http://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/ja204990j), 報導了他們在二維多孔金屬有機單原子層材料研究方面所取得的最新成果。
在新材料的研發過程中，維度已成為調制物質結構和特性的一個重要參數。當材料由三維結構變到二維、一維和零維時，其幾何結構和物理化學特性將發 生顯著的變化。 石墨烯的發現打破了二維單層原子晶體不可能存在的理論推斷，引發了目前人們對二維單原子層材料的研究熱潮。這不僅成為納米科學領域中產生新知識的重要源頭 之一， 而且為研制高性能功能納米材料和器件提供了契機。除石墨烯以外，其它單原子層結構如BN sheet及石墨烯與BN的雜化sheet也相繼被合成出來。目前該領域的研究熱點之一是對單原子層材料進行功能化修飾。人們一直夢想能在這些單原子層材 料中有規且離散地引入過渡金屬原子以構成新型的單原子層磁性材料、催化材料和氣體吸附材料，但由于過渡金屬原子容易聚集，這一夢想一直未能在石墨烯和BN 單原子層中實現。
針對這些挑戰性問題，基于一些最新的實驗結果和酞菁分子（Pc）組裝的靈活性，孫強教授研究組利用第一性原理、平均場理論和蒙特卡羅模擬系統研 究了一系列含有過渡金屬原子（Cr，Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn）的二維多孔單原子酞菁結構。在這些結構中，金屬原子均勻地分散在酞菁孔中，具有穩定的幾何構型。研究發現，二維的NiPc和ZnPc是非磁的，二維 的MPc (M=Cr, Fe,Co, Cu）呈反鐵磁性，而在二維的MnPc sheet中，由于存在有效的p-d 交換相互作用，使得體系具有長程鐵磁性，其居里溫度約為150 K左右，可與目前實驗上合成的具有最高居里溫度的(Ga, Mn)As稀磁半導體相媲美。該研究不僅深化了人們對過渡金屬原子在二維酞菁結構中磁耦合相互作用的認識，而且將傳統的稀磁半導體材料拓展到二維有機單原 子層結構。此外，與石墨烯和BN sheet相比，二維多孔金屬有機單原子層結構具有更靈活的配位成鍵和更豐富、更可控的結構與功能。《JACS》的審稿人高度稱贊了該研究的重要性和及時 性，指出了其重大的發展潛力：“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…”。
該論文的第一作者是博士研究生周健, 通訊作者為孫強教授。該研究得到國家自然科學基金委和973項目的資助。
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