一、团队简介
先进材料物理及纳米器件团队是济南大学立项建设的校级科研团队，也是物理星空在线,星空在线(中国)重点建设的科研团队。团队成员致力于先进材料中的关键物理问题研究，关注纳米材料及纳米结构设计与探索、纳米器件设计及器件物理探索，同时致力于新研究方法的开发与拓展。团队现有成员13名，其中教授2名、副教授5名，讲师6名，具有博士学位的11名，硕士生导师8名。团队负责人为郭静华副教授。
2024年，团队在科学研究方面获得丰富成果，获山东省自然科学基金青年项目2项、横向项目2项，教育部产学合作协同育人项目1项，立项经费46万元。团队在国际知名期刊如Nano Letters、Applied Physics Letters、Physical Chemistry Chemical Physics、Journal of Colloid and Interface Science等发表SCI论文10篇。2024年，团队招收研究生2人，1名硕士生顺利毕业并获得理学硕士学位。
二、标志性科技成果简介
1、反演对称单层晶格的层极化反常霍尔效应研究
青年教师张婷在Nano Letters杂志发表层霍尔效应研究成果。在物理学领域，铁电性与金属性通常难以在同一材料中共存，原因在于金属中的自由电子会屏蔽内部电场，从而抵消铁电效应。然而，二维材料的独特物理结构为探索铁电金属带来了新的契机。该工作提出了一种基于非极性金属单层实现金属铁电性的物理机制。通过层间弱相互作用破坏晶体对称性并诱导层间电荷再分布，成功实现了二维铁电金属的构建。利用第一性原理计算，我们验证了该机制在双层FeSe和H-MnTe2材料中的可行性。此外，该工作揭示了层间滑移不仅可以触发此类材料的铁电极化反转，还能够实现本征磁性与滑移铁电性的共存。这一工作不仅拓宽了二维铁电金属的材料选择范围，也深化了人们对耦合物理现象的理解。
图 1 基于紧束缚模型电场作用下K和K'能谷的能带结构及层霍尔效应示意图
论文信息：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、范德华双层晶格结构中的铁电金属研究
青年教师张婷在Applied Physics Letters期刊发表铁电金属研究成果，层霍尔效应是由贝里曲率和层自由度耦合产生，对基础物理和器件应用都具有重要意义。目前，层霍尔效应的研究局限于拓扑系统或非反演对称能谷电子体系，限制了进一步的研究与应用。该工作通过模型分析，提出了一种从反演对称单层晶格实现层霍尔效应的通用设计原则。基于紧束缚模型，证明了通过反铁磁范德华双层晶格的叠加，可以实现PT对称与外加垂直电场之间的耦合效应。这一耦合效应揭示了先前隐藏的层锁定Berry曲率，导致载流子能够在给定层内沿特定方向移动，从而实现了层霍尔效应。有趣的是，层霍尔效应的手性可以通过调节垂直电场的方向有效调控。通过第一性原理计算，我们进一步在双层T-FeCl2和MnPSe3中验证了这一机制的可行性。这一研究成果在层霍尔效应的设计中具有重要意义。
图 2 基于范德华相互作用实现二维铁电金属的设计方案
论文信息：Jiagang Zhang, Ying Dai, Ting Zhang*, Ferroelectric metals in van der Waals bilayers, Appl. Phys. Lett., 124, 252906 (2024).
3、共价有机金属骨架异质结构的设计及氧还原反应催化研究
青年教师郭静华在Physical Chemistry Chemical Physics期刊发表氢氧燃料电池催化剂研究成果。氧还原反应(ORR)是燃料电池和金属空气电池等新型能量存储和转换系统中必不可少的两个半反应之一。然而，ORR的电子传递多步且速度慢，传质效率低，导致其动力学速度慢，极大地阻碍了其在实际器件中的应用。共价有机骨架材料COF具有密度低、比表面积高、易于改性和功能化等优点。我们首先探索了COF- 366和Pc-PBBA两种共价有机骨架材料在氧还原反应（ORR）中的催化性能。过渡金属原子（Fe或Co）结合在卟啉或酞菁环的中心形成Fe(Co)-N-C单原子催化剂，能催化ORR反应，反应间有过电位分别为0.49 V和0.69 V。为了提高催化活性，我们引入了石墨烯或C3N4层与COFs构建异质结。电荷密度差和bader电荷分析表明，石墨烯（或C3N4）层的引入增加了Fe和Co离子上的电子分布，有利于电子向反应中间体流动，促进了ORR催化反应的发生。对于共价有机骨架/石墨烯异质结，Fe基活性位点和Co基活性位点的过电位分别降低了10.9% ~ 20.3%和30.3% ~ 36.4%。对于共价有机骨架/C3N4，Fe基活性位点和Co基活性位点的过电位分别降低了7.3% ~ 39.1%和15.1% ~ 16.3%。火山图的分析揭示了Co基共价有机骨架/石墨烯异质结位于火山图的顶端，过电位为0.31 V。
图3 COF- 366@C3N4异质结晶胞结构及氧还原反应催化过电势火山关系图。
论文信息：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.
