综合新闻 News
联系我们
  • 客服服务电话:021-64321087
  • 商业服务电话:13918059423
  • 技术服务电话:13918059423
  • 联系人:崔老师 
  • 服务邮箱:shxtb@163.com
  • 地址:上海市徐汇区桂林路100号8号楼107室

中国人民大学物理学系及合作团队发现世界上首个单分子驻极体

日期: 2020-10-15
浏览次数: 6

来源:中国人民大学

近日,中国人民大学物理学系季威教授、王聪博士与南京大学宋凤麒教授、厦门大学谢素原教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授、耶鲁大学Mark A. Reed教授等研究团队合作,通过理论计算和实验测量发现了世界上首个单分子驻极体(electret)——Gd@C82,在驻极体被人类合成100年后将其物理尺寸压缩到极致的单分子水平(~1 nm,十亿分之一米),这是目前人类所知最小的驻极体。该分子中的Gd(钆,一种稀土元素)原子可以被人为控制地在两个不同位置间移动而用于信息编码,为未来存储器小型化提供了一种新方案,也展现出作为一个新兴研究方向的巨大潜力。相关研究工作以A Gd@C82 single-molecule electret”(一个碳82笼中钆原子的单分子驻极体)为题发表在10月12日出版的《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

磁性是在日常生活中常见的现象,早在5000年前人们就认识了磁现象。天然铁矿石大抵是人类最早发现的永磁体,《鬼谷子·谋篇第十》就记载了2000多年的战国时期利用天然永磁体制作司南的例子。在不对其进行任何操作的情况下,永磁体(permanent magnet)磁矩方向可以长期保持不变。硬盘磁片就是一种永磁体,记录信息则是在其微、纳米级的磁畴上对磁矩进行操作实现的。而在不进行写操作时,它的每个磁畴的磁矩方向不会发生变化,保证了其保存资料的可靠性。磁盘的信息存储密度已经从最初的2000 比特每平方英寸提到到了13亿比特每平方英寸以上。随着信息存储需求的暴涨,人们为提高信息存储密度、缩小磁畴尺寸提出了需求,而单分子磁体(single-molecule magnet)把磁性信号记录单元的尺寸缩小到极致的单个分子层次,也就是磁畴小型化的终极方案。

第一个分子磁体是在上世纪80年代被合成的Mn-12络合物,通常认为直到1993年Novak等人才首次证实该络合物是一种特征温度不高于4 K (约-269℃)且可以用于信息存储的单分子磁体 [Nature 365, 141-143 (1993)]。2018年Layfield等人则首次将单分子磁体的特征温度提高到80K(约-193℃),达到了液氮温度(78K)以上(Science2018,DOI:10.1126/science.aav0652)。

驻极体(electret)是一类可以与永磁体相类比的材料,可以看作是静电版的永磁体,也可以用于信息存储,还用在静电耳机和麦克风等多个方面。驻极体拥有不加外场时可以长期保持的电极化特性,其极化形式与永磁体中的电子自旋极化导致的磁性不同。驻极体特征早在1732年就被Gray发现了,1839年Faraday(法拉第)从理论上总结了这一特征,而在1892年Heaviside首次将electric和magnet两词组合成了electr-et(electret),明确提出了驻极体的概念。1919年日本物理学家Eguchi首次合成了驻极体材料,引领了驻极体的研究热潮。

尽管驻极体材料已经研究了100余年,且单分子水平的单分子磁体也研究了近30年,单分子驻极体的研究却显得严重滞后了。2018年Nishihara等人首次在K12[Tb3+@P5W30O110]([Tb3+@P5W30])单分子驻极体的粉末样品中观察到了电极化回滞现象

然而,这一回滞现象是众多分子相互耦合的结果还是单个分子自身的表现,一时莫衷一是。2020年,物理学系及合作团队则首次在Gd@C82单分子器件中发现了单分子驻极体特征,并展示了其信息存储能力,将驻极体的尺寸极限缩小到了1 nm尺度。

具体地,他们在1.6 K(约-271.6 ℃)的低温下,利用电致迁移纳米间隙法,在一条约50 nm宽的金属导线上制造出了一道1 nm左右的间隙,并成功构造了几个Gd@C82单分子器件(如图1a所示),随后固定一个非常接近于零(2 mV)的源-漏电压值,通过改变栅极电压Vg,记录不同栅极电压值时的源流电流Ids,便会得到两套谱线,对应两种器件状态(state 1和state 2)。如图1b所示,这两种状态可以通过改变栅压相互切换,在同一个单分子器件中,表现出了两套截然不同的输运特性。

这两种状态大概率对应两种分子构型,但这种构型变化却很难通过观测手段直接显示出来,第一性原理计算便体现出其特有的优势。计算发现,Gd@C82分子中Gd原子处在C82笼上的两个相邻的最稳定吸附位点上,其能量相差 ~ 6 meV(如图2a)。可以看到,Gd@C82分子的正负电荷中心并不重合,即分子存在电偶极矩。Gd原子在两个稳定吸附位点间移动,可改变分子的电偶极矩方向,从而可以利用外加电场调控两个吸附位点的相对稳定性。计算表明只要克服~11 meV的转换势垒,即可实现电场控制下Gd原子在两个位点间移动(如图2)。这本质上就等于实现了在单个分子水平上电偶极矩的可控翻转,即该器件是一种以单分子驻极体(Gd@C82)方式运转的单原子(Gd)信息存储器。

该工作是首次在单分子水平上证明了单分子驻极体的存在,并实现了存储操作,也是当前所知最小的驻极体。该单分子电偶极矩的可控翻转,实际是内嵌原子的位置移动,即该器件是一种以单分子电偶极矩翻转模式运行的单原子存储器。正如下图所示的那样,两个不同的原子位置可以用来编码信息,为未来存储器件小型化提供一种方案,展现出作为一个新兴研究方向的潜力。

该研究成果于10月12日以“A Gd@C82 single-molecule electret”为题发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)上,物理学系博士后王聪博士(2019年吴玉章奖学金获得者)和南京大学博士生张康康、白占斌及张敏昊博士为论文的共同第一作者。物理学系季威教授和南京大学宋凤麒教授、厦门大学谢素原教授、伦斯勒理工学院史夙飞教授、耶鲁大学Mark A. Reed教授为论文的共同通讯作者。该工作的理论计算部分由人民大学完成,实验部分由合作单位完成。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院战略重点研究项目、中央高校基本科研业务费等项目的资助。



Hot News / 相关推荐
  • 2020 - 11 - 24
    点击次数: 1
    来源:中国铁合金在线日前,美国国防部授予加州帕斯山(Mountain Pass)稀土元素矿的所有者MP材料公司960万美元,用于在当地建立轻稀土元素的国内加工能力。根据《国防生产法案》(DPA)第三章的授权,给予MP材料公司的拨款是三个中最大的一个,旨在加强国内稀土供应链。根据总统的一项行政命令,DPA是美国确保关键矿产安全可靠供应战略的一部分。国防部技术投资资助将支持MP材料公司在山口行动建立处...
  • 2020 - 11 - 23
    点击次数: 6
    来源:科技日报科技日报讯 (记者邰举)韩国研究团队使用介孔沸石成功制备稀土-铂合金纳米颗粒。该颗粒作为丙烯脱氢工艺催化剂使用。稀土La和Y的加入大幅度改善了铂在分子筛中的分散性,同目前广泛使用的多孔氧化铝负载Pt-Sn双金属催化剂相比,催化活性提高10倍以上,使用寿命延长20倍以上。韩国科学技术院研究团队完成了此项成果。论文近日发表在《自然》杂志上。研究中使用了孔径低于0.55纳米且具有均匀和连续...
  • 2020 - 11 - 23
    点击次数: 2
    来源:北极星大气网2020年10月31日,中国化工学会组织有关专家在云南曲靖对南京大学、云南驰宏资源综合利用有限公司、江苏宁天新材料科技有限公司联合开发的“重有色冶炼烟气超低温稀土脱硝催化剂的开发与应用”项目进行了科技成果评价。评价会由中国工程院院士、中国科学院生态环境研究中心贺泓研究员主持,来自南京大学、昆明理工大学、昆明冶金研究院、中国科学院城市环境研究所、昆明贵研催化剂有限责任公司和无锡威孚...
  • 2020 - 11 - 20
    点击次数: 7
    2020年11月19日下午,市稀土协会秘书长吴建思陪同市经信委新材料处正处级调研员李慧民赴上海三环磁性材料有限公司调研。会上,李处认真听取了陈巍强副总经理和科技发展部部长李纲介绍了企业近期总体情况,并从产业链、供应链、价值链、生态链等诸多方面详细了解了企业的运营和科研创新发展的进展,针对企业发展过程中出现的新问题和新现象,提出了解决方案的意见和建议,并将有关信息反馈到相关部门。李处希望企业抓住机遇...
  • Copyright ©Copyright 2018  2020 上海市稀土协会 All Rights Reserved 沪ICP备2020034223号
    主办单位:上海市稀土协会 指导单位:上海市稀土材料开发应用办公室 承办单位:上海稀土产业促进中心 
    犀牛云提供企业云服务