二维稀土氧化物的面状可控合成

自2010年石墨烯获得诺贝尔奖以来，二维（2D）稀土氧化物材料因其原子厚度和优异的性能，在逻辑、存储、光电和光子2D器件制造领域不断吸引研究人员的关注。在石墨烯研究的基础上，科学家们又发现了一些其他的二维材料，如层状过渡金属二氯化物（TMDs）、六方氮化硼（h-BN）和非层状III-V族半导体。

稀土元素未填充的4f轨道被完全填充的外壳所屏蔽，因此稀土离子的未配对4f电子通常不参与化学反应，从而在发光、磁性、电子和催化活动方面具有很好的特性。二维稀土氧化物结合了稀土元素的独特性能，已被广泛用于光学、磁学、高效催化剂、晶体管、生物医学和其他领域。此外，据报道，晶体面对二维材料的性能也有一定影响。

因此，可控地合成具有特定切面的二维材料是非常重要的。然而，由于其非层状结构，控制材料的二维各向异性生长具有挑战性。此外，由于二维材料会暴露出能量最低的最稳定的面，控制材料的热力学就显得尤为重要。

为了应对这些挑战，最近，在《国家科学评论》上发表的一篇研究文章中，中国武汉大学的科学家们提出了一个新的范例，并实现了一系列非层状二维REO的面状可控合成。引入切面控制辅助器（FCA）可以控制预定切面的二维成核，调整晶体的生长模式和方向。

作者表示，“根据硬-软-酸-碱（HSAB）理论，RE离子是硬酸，喜欢对碱有亲和力。我们采用NH4X作为FCA，属于碱的卤化物离子作为活性辅助剂。FCA的引入不仅控制了预定面的二维成核，促进了REO的二维各向异性生长，而且随着FCA浓度的增加，导致每个面的相对表面能发生变化，最终决定了最终暴露的面。该策略可以扩展到一系列二维REO单晶的面层可控合成，包括轻度REO（CeO₂，Nd2O₃）、中度REO（Sm₂O₃，Eu₂O₃）和重度REO（Dy₂O₃，Ho₂O₃，Y₂O₃）。”

以CeO₂为例，他们系统地研究了生长的二维CeO₂（111）和CeO₂（100）单晶的原子结构差异。同时，他们进行了实验和DFT计算，以进一步确认该机制。实验证明，在低浓度FCA的情况下，CeO₂(111)的计算表面能更低，优先获得二维CeO₂(111)。随着FCA浓度的增加，CeO₂(100)的计算表面能更低，相应的晶体形貌也变得方正。他们还探索了二维REO单晶的与面相关的顺磁特性。

“我们的多功能工作为实现非层状二维稀土氧化物材料的各向异性生长提出了新的见解，并丰富了二维材料家族，”傅雷教授说，“值得注意的是，这种策略的高度可操作性为设计新材料、研究其特性和潜在的应用提供了广泛的机会。”

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