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Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成

2024年3月28日,南方科技大學鄭智平與清華大學李雋團隊在稀土原子精確團簇合成領域取得新進展,相關研究成果以“Atomically Precise Semiconductor Clusters of Rare-earth Tellurides”為題發表在Nature Synthesis期刊上。

該課題組報道一種具有普適性的原子精確碲基稀土團簇的合成策略,通過KC8作為還原劑還原單質碲,合成出一系列等構的碲基稀土團簇,發現新型(Te3)4-三中心四電子結構,同時發現這些碲基稀土團簇具有超低的光學帶隙,是一類新型團簇基半導體材料。

論文通訊作者為南方科技大學鄭智平教授與清華大學李雋教授南方科技大學化學系研究助理教授丁友松和博士研究生姜雪蓮為該論文的共同第一作者。

Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成

稀土碲化物作為一類新型先進功能材料,展現出豐富的磁、電、熱電、磁性半導體、電荷密度波等性質。這類材料的研究及應用受困于兩大挑戰:一是缺乏方便且普適的制備方法,高純度、大批量的制備稀土碲化物是比較困難的;二是缺乏對于材料電子結構的深入了解。原子精確團簇作為連接分子和塊體材料之間的重要橋梁,其合成、結構及性質研究不僅有利于理解材料的結構-性質之間的關系,并且可以作為前驅體合成高純度、高結晶性且組成可控的稀土碲化物材料。但是,由于稀土離子屬于硬Lewis酸,碲陰離子是軟Lewis堿,根據軟硬酸堿理論,稀土離子很難與碲陰離子配位,因而碲基稀土團簇的構筑一直是合成化學領域的難點。最新的CCDC數據庫中,包含RE-Te鍵的晶體結構僅有42例,團簇則只有7個,遠遠少于傳統的稀土氧簇,且這些碲基稀土團簇的合成需要使用二價稀土配合物或者Hg單質,合成條件非常苛刻,不具備普適性。

為了尋找具有普適性的原子精確碲基稀土團簇的合成策略,作者提出通過KC8作為還原劑還原單質碲,結合外圍配體保護團簇核心,構筑原子精確碲基稀土團簇,成功分離出一系列等構的碲基稀土團簇[(Cp*RE)6(Te)3(Te2)2(Te3)]2-(Cp*:五甲基環戊二烯;RE?=?Y, Gd, Tb, Ho, Er)。

Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成
圖1:經KC8還原單質碲合成碲基稀土團簇RE6Te10的合成路徑。

單晶結構顯示RE6Te10中碲基配體有三種分子形式以四種配位模式支撐團簇核心:三個 Te2-均以μ3形式鏈接3個稀土離子;兩個 (Te2)2-分別以μ– κ2: κ2μ3η2: κ: κ1連接稀土離子;線性的 (Te3)4-則以μ63: κ3: κ3形式連接6個稀土離子,這是首次在分子配合物體系中發現線性 (Te3)4-單元。鍵級計算顯示 (Te3)4-單元中Te-Te的鍵級只有0.5左右,鍵長約3.0 ?左右,長于Te-Te σ單鍵的2.77 ?;不僅如此,(Te3)4-單元具有22個價電子,與 I3、(Se3)4-為等電子體,這些結構特點說明 (Te3)4-?單元是典型的三中心四電子結構。

Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成
圖2:RE6Te10的單晶結構和碲簇陰離子的配位模式。

Y6Te10團簇為例,作者通過理論計算進一步闡明了這些碲基稀土團簇內部的化學成鍵。利用適應性自然密度劃分方法(AdNDP)找到了線性(Te3)4-單元中的三中心四電子鍵和(Te2)2-單元的Te-Te σ鍵,證實了這些稀土團簇中碲基配體成鍵的多樣性。能量分解分析(EDA-NOCV)和軌道能級分析闡明了金屬原子和碲配體之間的強相互作用本質上主要來源于靜電相互作用,其余是由Te(5p)→Y(4d)供體-受體相互作用提供。

Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成
圖3:線性三碲Te34-配體(a-b)和Te22-配體(c-d)的電子結構,以及Y6Te10的軌道能級(e)。

固體紫外可見光吸收光譜發現這些化合物具有很強、很寬的吸收峰,吸光范圍為200-1200 cm-1,可以吸收所有可見光及部分紫外和近紅外光。其光學帶隙約1.0 eV,與理論計算結果一致,與傳統半導體材料,如單晶硅,砷化鎵的光學帶隙相近,顯示這些團簇可能是一類新型分子基半導體材料。

Nat Synth:南方科技大學鄭智平/清華大學李雋團隊實現原子精確碲基稀土半導體團簇的合成
圖4:RE6Te10的光學帶隙。

在這項工作中,作者報道了一種具有普適性的原子精確碲基稀土團簇的合成策略,合成分離出5例等構的碲基稀土團簇。同時發現團簇中包含三種碲簇陰離子:Te2-、(Te2)2-和線性的 (Te3)4-,結合理論計算證明 (Te3)4-?是典型的具有22個價電子三中心四電子結構。此外,固體紫外-可見-近紅外光譜表明該類團簇是一類可以媲美單晶硅和砷化鎵的具有超低帶隙的半導體材料。該方法為未來碲基稀土團簇的構筑提供了指導,同時該類團簇的獨特性質使它們具備在未來量子材料和各種光電應用等領域的潛在應用價值。

編輯 |?余? 荷

排版 | 王大雪

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