Il diagramma schematico centrale mostra il processo di transizione delle faccette dei cristalli singoli 2D REOs attraverso l'ingegneria energetica superficiale assistita da FCA. Le immagini SEM intorno mostrano una serie di cristalli singoli REO 2D che espongono diverse sfaccettature, barra della scala:1 μm. Credito:Science China Press
Da quando il grafene è stato insignito del Premio Nobel nel 2010, i materiali bidimensionali (2D) hanno continuato ad attirare l'attenzione dei ricercatori nei settori della logica, dell'archiviazione, della produzione di dispositivi 2D optoelettronici e fotonici grazie allo spessore atomico e alle eccellenti prestazioni. Sulla base della ricerca sul grafene, gli scienziati hanno scoperto altri materiali 2D, come i dicalcogenuri di metalli di transizione stratificati (TMD), il nitruro di boro esagonale (h-BN) e i semiconduttori del gruppo III-V non stratificati.
Recentemente, gli ossidi di terre rare (REO) 2D sono emersi come una famiglia di materiali non stratificati unica e promettente. Il 4f vuoto gli orbitali degli elementi delle terre rare sono schermati dal guscio esterno completamente riempito, quindi il 4f spaiato gli elettroni degli ioni delle terre rare in genere non sono coinvolti nelle reazioni chimiche, portando a proprietà promettenti nelle attività di luminescenza, magnetiche, elettroniche e catalitiche. I REO 2D combinano le proprietà uniche degli elementi delle terre rare e sono stati ampiamente utilizzati in ottica, magnetismo, catalizzatori ad alta efficienza, transistor, biomedicina e altri campi.
Inoltre, è stato riportato che la sfaccettatura cristallina ha anche una certa influenza sulle proprietà dei materiali 2D. Pertanto, è molto significativo sintetizzare in modo controllabile materiali 2D con sfaccettature specifiche. Tuttavia, a causa della sua struttura non stratificata, è difficile controllare la crescita anisotropa 2D del materiale. Inoltre, poiché i materiali 2D esporranno la sfaccettatura più stabile con l'energia più bassa, è particolarmente importante controllare la termodinamica dei materiali.
In risposta a queste sfide, di recente, in un recente articolo di ricerca pubblicato sulla National Science Review , gli scienziati dell'Università di Wuhan, in Cina, hanno presentato un nuovo paradigma e realizzato la sintesi controllabile delle faccette di una serie di REO 2D non stratificate. L'introduzione di un dispositivo di controllo delle sfaccettature (FCA) può controllare la nucleazione 2D delle sfaccettature predeterminate e regolare la modalità di crescita e la direzione dei cristalli.
Gli autori hanno affermato:"Secondo la teoria hard-soft-acid-base (HSAB), gli ioni RE sono acidi duri e preferiscono avere affinità verso la base. Abbiamo impiegato NH4 X come FCA e gli ioni alogenuri appartenenti alla base agiscono come assistenti attivi. L'introduzione di FCA non solo controlla la nucleazione 2D delle sfaccettature predeterminate e promuove la crescita anisotropa 2D dei REO, ma porta anche al cambiamento dell'energia superficiale relativa di ciascuna sfaccettatura con l'aumento della concentrazione di FCA e alla fine determina la sfaccettatura di esposizione finale . La strategia può essere estesa alla sintesi controllabile a faccette di una serie di cristalli singoli di REO 2D, inclusi i REO leggeri (CeO2 , Nd2 O3 ), REO centrali (Sm2 O3 , Eu2 O3 ) e REO pesanti (Dy2 O3 , Ho2 O3 , Y2 O3 ), rispettivamente."
Assunzione di CeO2 ad esempio, hanno studiato sistematicamente le differenze strutturali atomiche del CeO 2D cresciuto 2 (111) e CeO2 (100) cristalli singoli. Inoltre, hanno condotto esperimenti e calcoli DFT per confermare ulteriormente il meccanismo. È dimostrato che con una bassa concentrazione di FCA, l'energia superficiale calcolata di CeO2 (111) è inferiore e 2D CeO2 Si preferisce ottenere (111). Con l'aumento della concentrazione di FCA, l'energia superficiale calcolata di CeO2 (100) è inferiore e la morfologia del cristallo corrispondente diventa quadrata. Hanno anche esplorato le proprietà paramagnetiche relative alle faccette dei cristalli singoli di REO 2D.
"Il nostro versatile lavoro porta avanti nuove intuizioni per realizzare la crescita anisotropa di materiali REO 2D non stratificati e arricchisce la famiglia di materiali 2D", afferma il Prof. Lei Fu. "In particolare, l'elevata manovrabilità di questa strategia apre opportunità per la progettazione di nuovi materiali, studiandone le proprietà e le potenziali applicazioni in un'ampia gamma". + Esplora ulteriormente
