科研进展

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戴瑛教授团队在二维晶格物性研究方面取得进展

发布日期:2023-09-04   点击量:

近期,物理学院戴瑛教授团队在二维晶格磁性性质研究方面取得系列新进展,相关成果分别发表在Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.等期刊上。

进展一:近年来,二维磁性晶格中的能谷物理受到了极大的关注。通过模型分析,戴瑛教授团队提出了一种新的耦合物理机制,实现了二维反铁磁蜂窝状晶格中应变与能谷自由度之间的耦合。团队提出通过施加应力可以调制磁交换作用,进而可以实现二维晶格空间反演和时间反演对称性的调控。考虑到能谷物理与对称性之间的关联,在二维晶格中实现应力与能谷之间的耦合成为可能。基于第一性原理计算,团队进一步在AuCl3、CrI3和VPTe3等一系列单层体系中证明了该机制的有效性,并预测了这些体系中存在的能谷极化和反常能谷霍尔效应。此外,该团队还对该机制的起源进行了讨论,发现键角的变化在调制磁交换作用中起着关键作用。这一机制的提出在很大程度上丰富了能谷物理和二维晶格的研究。相关研究成果以 “Strain-Valley Coupling in Two-Dimensional Antiferromagnetic Lattice” 为题发表在Advanced Functional Materials国际期刊上。论文第一作者为2022级硕士生刘毅博,马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者,山东大学为唯一作者单位。




进展二:层霍尔效应是霍尔效应家族的一个新成员,具有重要的基础物理研究和实际应用价值。戴瑛教授团队利用对称性分析和k·p模型,基于层自由度与多铁性之间的耦合,提出了实现层霍尔效应的新物理机制。团队发现,通过时间反演对称性破缺与空间反演对称性破缺的共同作用,会在二维晶格中产生自发能谷极化性质。在堆垛成双层的情况下,体系会产生层极化的贝里曲率,其可以驱使电子在给定层的特定方向上偏转,从而产生层霍尔效应。更为重要的是由此产生的层霍尔效应是铁电可控的。进一步地,该团队利用第一性原理计算在双层多铁体系Co2CF2中验证了这一机制。该团队的这一发现为层霍尔效应和二维晶格的研究开辟了新的方向。相关研究成果以 “Layer Hall Effect in Multiferroic Two-Dimensional Materials” 为题发表在Nano Letters国际期刊上。论文第一作者为2021级硕士生冯阳阳,马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者,山东大学为第一作者单位。


进展三:实现对磁斯格明子性质的有效控制是斯格明子研究中的一个重要挑战。为解决这一挑战,戴瑛教授团队基于第一性原理计算和蒙特卡洛模拟研究了二维多铁体系Co2NF2中的拓扑磁性性质。由于铁电极化的存在,单层Co2NF2表现出较大的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用。其与磁交换相互作用会形成竞争,使得单层Co2NF2在磁场下可以产生尺寸小于10纳米的磁斯格明子。重要的是,由于磁电耦合效应,磁斯格明子的手性可通过铁电调控,这使得磁斯格明子具有四重简并性。当与单层MoSe2界面相互作用时,单层Co2NF2中磁斯格明子的产生和湮灭、以及磁斯格明子与磁斯格明子晶体之间的相变可以通过铁电反转实现。进一步地,该团队提出了一个无量纲参数k作为在此类多铁单层中稳定磁斯格明子的判据。这一工作丰富了人们对于二维斯格明子和多铁性的研究。相关研究成果以 “Ferroelectrically Tunable Magnetic Skyrmions in Two-dimensional Multiferroics” 为题发表在Materials Horizons国际期刊上。论文第一作者为2022级博士生何仲麟,马衍东教授和戴瑛教授为共同通讯作者,山东大学为唯一作者单位。

进展四:作为催化的前沿领域,双原子催化在提高催化活性和选择性方面具有很大的潜力。团队提出在单原子催化活性中心中引入非金属P/S原子用于一氧化氮还原反应(NORR)的新机制,这一机制与非金属原子P/S的有限轨道密切相关。有限轨道的存在阻碍了P/S原子对于NO分子孤对电子的捕获;然而却促进了P/S周围TM电子性质的调控,从而提高TM活性中心与NO分子之间的 “donation-backdonation” 机制。基于这一新机制,团队设计了一系列P/S-TM负载在CN材料的双原子催化剂。通过系统的筛选策略,筛选出P-Cu@CN和S-Ni@CN具有高选择性和高活性的NORR性质。这项工作对于合理设计双原子催化剂提供了参考。相关研究成果以 “Activating Dual Atomic Electrocatalysts for the Nitric Oxide Reduction Reaction through the P/S Element” 为题发表在Materials Horizons国际期刊上,论文第一作者为物理学院2021级博士生臧艳梅,马衍东教授、戴瑛教授为共同通讯作者,山东大学为唯一作者单位。

上述工作是团队在二维晶格物性研究(Mater. Horiz. 2023, 10, 483; Phys. Rev. B 2023, 107, 085411; ACS Nano 2023, 17, 1144; Nano Lett. 2023, 23, 312; Nano Lett. 2022, 8, 3440; Phys. Rev. B 2022, 105, 205427) 系列工作方面的新进展。

以上工作得到了晶体材料国家重点实验室、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程项目、山东省泰山学者计划、山东大学齐鲁学者计划和山东省青年科技人才托举工程等项目的支持。


论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305130

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.3c01651

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00572K

https://doi.org/10.1039/D2MH01440H



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