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非CaCl 2是CaCl:+1价钙离子二维晶体和奇异性质
2021-04-04 09:00:36
来源:文章来源于网络

钙离子的价值是什么?高中生会回答:+2价格。

众所周知,钙原子是一种碱土金属原子,有两个价电子。到目前为止,已知的钙离子在自然条件下的唯一价态是+2,各种相应的钙离子晶体都不是磁性和绝缘的。

天然钙离子化合物:+2价无磁绝缘体

然而,在最近的研究中,用冷冻透射电镜直接观察到了在自然环境中形成的二维CaCl晶体,其中钙离子的价态为+1。同时,理论和实验表明,这些二维CaCl晶体具有室温铁磁性、金性质和压电性能,能形成石墨烯-CaCl异质结,并具有明显的贮氢和放氢能力。

这项工作是由西安交通大学、上海大学、华东理工大学、上海应用物理研究所、中国科学院、浙江农林大学、华东师范大学和厦门大学组成的联合研究小组进行的,发表在国家科学评论(NationalScienceReview,NSR)上。

高分辨率真实空间冻结电子显微镜结构表征(I)、选区衍射(II)和傅里叶变换图(III)表明,二维Cacl晶体具有两倍于石墨烯大小的胞状结构。

理论研究表明,这种反常晶体的形成是由于石墨烯表面芳香环与钙离子的强阳离子π相互作用,由于其它金属离子(如Mg2+、Fe2+、Co2+、Cu2+、Cd2+、Cr2+和Pb2+)与石墨表面有很强的阳离子π相互作用,初步研究表明其他金属离子也会形成类似的异常价态晶体。

根据实验数据和第一原理计算,得到了稳定的二维晶体结构。

这种二维仙人掌晶体既具有金的性质,又表现出明显的压电性能,这种压电行为来自两个方面:Ca离子的单价行为和两种元素(ca和cl)在压缩或拉伸应变下的不同电学效应,因此二维acl晶体是一种既具有金属性能又具有压电性能的新型材料,有望制备出具有原子尺度和纳米尺度的电子器件,具有广泛的应用前景。

通过对RGO和GO薄膜电阻的测定,证实了Cacl晶体的金属性能;(右)在自然条件下,薄膜在弯曲引起的压缩和拉伸应力作用下表现出明显的压电性能。

值得强调的是,仙人掌晶体具有室温铁磁性,打破了传统的主要金属元素群不具有室温铁磁性的观念,理论计算表明,室温铁磁性也来自两个方面:+1价Ca离子中的非价电子和相应的反常二维晶体的边缘或缺陷效应,因此,可以预期其他金属元素也可以通过形成类似的反常二维晶体而产生室温铁磁性。

室温(300K)CaCl@RGO薄膜的滞回线表明它具有明显的室温铁磁性。

这种二维晶体的奇异性质和行为也将扩大功能化石石墨烯的应用范围。此外,由于金属阳离子和碳在地球上的广泛分布,这种具有先前未知性质的纳米特殊化合物可能在自然界中得到广泛应用。

这些发现不仅使具有反常阴离子比、新颖阳离子价态和奇异电磁性质的二维晶体的研究取得了突破,而且在材料、生物、化学和物理等领域也具有开创性的应用潜力。