材料界的艺术家：二维稀土氧化物演绎晶面“变脸术”| NSR 学术资讯

稀土元素具有特殊的4f电子结构，这使稀土氧化物（REO）具有新奇的物理和化学性质，在光、磁、电子和催化等领域具有广泛应用。二维REO晶体所暴露出来的晶面取向，会影响其光学、电学、疏水性、磁性和催化性能。然而，可控合成具有特定晶面的二维单晶仍然是这一领域的瓶颈。

其中的困难之处在于：首先，REO本身为非层状结构，使其难以通过剥离实现二维化，也阻碍了晶体的二维各向异性生长；其次，二维晶体主要倾向于暴露热力学稳定的低表面能（γ）晶面，这阻碍了对其他的高活性晶面的研究。

针对这一难题，武汉大学付磊-曾梦琪团队通过构筑“软硬酸碱”对，实现了具有特定晶面的REO的二维成核与生长，获得了从轻稀土到重稀土元素的一系列具有特定晶面的高质量二维氧化物单晶，并对其晶面相关的磁性进行了探究。该研究以“General synthesis of 2D rare-earth oxides single crystals with tailorable facets”为题发表在《国家科学评论》（National Science Review，NSR）。

具有特定晶面的二维REO单晶生长，示意图（中心）及普适性生长结果（周围）

该方法的关键在于采用卤化铵（NH4X）作为晶面控制剂（FCA），调控FCA的量即可使二维REO成功演绎“变脸术”。

REO晶体从液态金属中析出时，引入的FCA在高温下分解产生Cl−、Br−、I−，它们分别作为硬碱、临界碱和软碱与作为硬酸的稀土离子之间发生相互作用，这种作用阻碍了REO在三维方向上的生长，由此实现晶体的二维化。

同时，通过改变加入FCA的量可以调控二维REO各晶面的表面能。加入FCA的量比较少时，REO倾向于暴露表面能较低的（111）晶面。随着FCA量的增加，（100）晶面的表面能降低并小于（111）晶面，二维REO此时倾向暴露（100）晶面，轻松实现“变脸”。

最后，研究还发现利用该方法得到的两种不同晶面的二维REO晶体的磁性存在差异。

FCA控制特定的晶面二维REO生长

总而言之，在该工作中作者利用FCA与REO构筑软硬酸碱对这一策略实现了一系列具有特定晶面的高质量二维REO单晶的合成，并且探索了不同晶面的晶体在磁性上的差异。该研究有望推广至其他二维非层状材料的各向异性生长。此外，该方法为获得更多暴露高活性晶面的二维晶体奠定了基础，同时也为探索REO在二维限域条件下的新特性提供了平台。

来源：中国科学杂志社

原文链接：http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3MzQ5MzQyNA==&mid=2656813491&idx=1&sn=900ffbc2293c706ee98a00c4195473cb

电话：（010）86409582

邮箱：kejie@scimall.org.cn