一、團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介
先進(jìn)材料物理及納米器件團(tuán)隊(duì)是濟(jì)南大學(xué)立項(xiàng)建設(shè)的校級(jí)科研團(tuán)隊(duì)，也是物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)的科研團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)成員致力于先進(jìn)材料中的關(guān)鍵物理問題研究，關(guān)注納米材料及納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與探索、納米器件設(shè)計(jì)及器件物理探索，同時(shí)致力于新研究方法的開發(fā)與拓展。團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有成員13名，其中教授2名、副教授5名，講師6名，具有博士學(xué)位的11名，碩士生導(dǎo)師8名。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人為郭靜華副教授。
2024年，團(tuán)隊(duì)在科學(xué)研究方面獲得豐富成果，獲山東省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目2項(xiàng)、橫向項(xiàng)目2項(xiàng)，教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目1項(xiàng)，立項(xiàng)經(jīng)費(fèi)46萬(wàn)元。團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊如Nano Letters、Applied Physics Letters、Physical Chemistry Chemical Physics、Journal of Colloid and Interface Science等發(fā)表SCI論文10篇。2024年，團(tuán)隊(duì)招收研究生2人，1名碩士生順利畢業(yè)并獲得理學(xué)碩士學(xué)位。
二、標(biāo)志性科技成果簡(jiǎn)介
1、反演對(duì)稱單層晶格的層極化反常霍爾效應(yīng)研究
青年教師張婷在Nano Letters雜志發(fā)表層霍爾效應(yīng)研究成果。在物理學(xué)領(lǐng)域，鐵電性與金屬性通常難以在同一材料中共存，原因在于金屬中的自由電子會(huì)屏蔽內(nèi)部電場(chǎng)，從而抵消鐵電效應(yīng)。然而，二維材料的獨(dú)特物理結(jié)構(gòu)為探索鐵電金屬帶來了新的契機(jī)。該工作提出了一種基于非極性金屬單層實(shí)現(xiàn)金屬鐵電性的物理機(jī)制。通過層間弱相互作用破壞晶體對(duì)稱性并誘導(dǎo)層間電荷再分布，成功實(shí)現(xiàn)了二維鐵電金屬的構(gòu)建。利用第一性原理計(jì)算，我們驗(yàn)證了該機(jī)制在雙層FeSe和H-MnTe2材料中的可行性。此外，該工作揭示了層間滑移不僅可以觸發(fā)此類材料的鐵電極化反轉(zhuǎn)，還能夠?qū)崿F(xiàn)本征磁性與滑移鐵電性的共存。這一工作不僅拓寬了二維鐵電金屬的材料選擇范圍，也深化了人們對(duì)耦合物理現(xiàn)象的理解。
圖 1 基于緊束縛模型電場(chǎng)作用下K和K'能谷的能帶結(jié)構(gòu)及層霍爾效應(yīng)示意圖
論文信息：Ting Zhang*, Xilong Xu, Jinghua Guo, Ying Dai, Yandong Ma*, Layer-Polarized Anomalous Hall Effects from Inversion-Symmetric Single-Layer Lattices, Nano Lett., 24, 1009, (2024).
2、范德華雙層晶格結(jié)構(gòu)中的鐵電金屬研究
青年教師張婷在Applied Physics Letters期刊發(fā)表鐵電金屬研究成果，層霍爾效應(yīng)是由貝里曲率和層自由度耦合產(chǎn)生，對(duì)基礎(chǔ)物理和器件應(yīng)用都具有重要意義。目前，層霍爾效應(yīng)的研究局限于拓?fù)湎到y(tǒng)或非反演對(duì)稱能谷電子體系，限制了進(jìn)一步的研究與應(yīng)用。該工作通過模型分析，提出了一種從反演對(duì)稱單層晶格實(shí)現(xiàn)層霍爾效應(yīng)的通用設(shè)計(jì)原則。基于緊束縛模型，證明了通過反鐵磁范德華雙層晶格的疊加，可以實(shí)現(xiàn)PT對(duì)稱與外加垂直電場(chǎng)之間的耦合效應(yīng)。這一耦合效應(yīng)揭示了先前隱藏的層鎖定Berry曲率，導(dǎo)致載流子能夠在給定層內(nèi)沿特定方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了層霍爾效應(yīng)。有趣的是，層霍爾效應(yīng)的手性可以通過調(diào)節(jié)垂直電場(chǎng)的方向有效調(diào)控。通過第一性原理計(jì)算，我們進(jìn)一步在雙層T-FeCl2和MnPSe3中驗(yàn)證了這一機(jī)制的可行性。這一研究成果在層霍爾效應(yīng)的設(shè)計(jì)中具有重要意義。
圖 2 基于范德華相互作用實(shí)現(xiàn)二維鐵電金屬的設(shè)計(jì)方案
論文信息：Jiagang Zhang, Ying Dai, Ting Zhang*, Ferroelectric metals in van der Waals bilayers, Appl. Phys. Lett., 124, 252906 (2024).
3、共價(jià)有機(jī)金屬骨架異質(zhì)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及氧還原反應(yīng)催化研究
青年教師郭靜華在Physical Chemistry Chemical Physics期刊發(fā)表氫氧燃料電池催化劑研究成果。氧還原反應(yīng)(ORR)是燃料電池和金屬空氣電池等新型能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中必不可少的兩個(gè)半反應(yīng)之一。然而，ORR的電子傳遞多步且速度慢，傳質(zhì)效率低，導(dǎo)致其動(dòng)力學(xué)速度慢，極大地阻礙了其在實(shí)際器件中的應(yīng)用。共價(jià)有機(jī)骨架材料COF具有密度低、比表面積高、易于改性和功能化等優(yōu)點(diǎn)。我們首先探索了COF- 366和Pc-PBBA兩種共價(jià)有機(jī)骨架材料在氧還原反應(yīng)（ORR）中的催化性能。過渡金屬原子（Fe或Co）結(jié)合在卟啉或酞菁環(huán)的中心形成Fe(Co)-N-C單原子催化劑，能催化ORR反應(yīng)，反應(yīng)間有過電位分別為0.49 V和0.69 V。為了提高催化活性，我們引入了石墨烯或C3N4層與COFs構(gòu)建異質(zhì)結(jié)。電荷密度差和bader電荷分析表明，石墨烯（或C3N4）層的引入增加了Fe和Co離子上的電子分布，有利于電子向反應(yīng)中間體流動(dòng)，促進(jìn)了ORR催化反應(yīng)的發(fā)生。對(duì)于共價(jià)有機(jī)骨架/石墨烯異質(zhì)結(jié)，F(xiàn)e基活性位點(diǎn)和Co基活性位點(diǎn)的過電位分別降低了10.9% ~ 20.3%和30.3% ~ 36.4%。對(duì)于共價(jià)有機(jī)骨架/C3N4，F(xiàn)e基活性位點(diǎn)和Co基活性位點(diǎn)的過電位分別降低了7.3% ~ 39.1%和15.1% ~ 16.3%。火山圖的分析揭示了Co基共價(jià)有機(jī)骨架/石墨烯異質(zhì)結(jié)位于火山圖的頂端，過電位為0.31 V。
圖3 COF- 366@C3N4異質(zhì)結(jié)晶胞結(jié)構(gòu)及氧還原反應(yīng)催化過電勢(shì)火山關(guān)系圖。
論文信息：Xiao-Xiao Guo, Jing-Hua Guo, Dong Hou and Gang Chen, Theoretical study of covalent organic frameworks and heterojunctions for the oxygen reduction reaction, Phys. Chem. Chem. Phys. 2024, 26, 29955-29961.
供稿：郭靜華 編輯：弋媛 審核：王曉
