新型电子功能材料团队再次在拓扑电子材料领域取得系列重要进展

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我院新型电子功能材料团队继2023年2月在国际顶尖期刊Journal of the American Chemistry Society上发表重要成果后，近日该团队在拓扑电子领域再次取得系列研究进展，研究成果相继发表在国际知名期刊Materials Today、Science Bulletin、Advanced Science、Nano Letters上。
        该团队一直致力于拓扑电子领域中的新材料、新物性与新应用研究。近期将拓扑电子材料创新性地应用于电催化领域，为设计与开发高性能催化剂提供了新的思路。在电催化剂中，催化描述符是联系电化学过程中物化相互作用和催化性能的重要指标。目前，以d带中心为代表性的多种催化描述符（如配位数、自旋磁矩、键长、活性位点密度等）已在多类传统电催化剂中获得验证，成为指导高性能电催化剂设计的重要依据。然而，拓扑催化作为新兴的研究领域，传统催化描述符对其适用性尚未进行验证。

        团队骨干张小明教授与澳大利亚昆士兰科技大学寇良志教授团队展开合作，首次对传统催化描述符在拓扑催化剂中的适用性进行了系统研究，提出了拓扑表面态密度可以作为适用拓扑催化剂的新型统一催化描述符。他们以具有拓扑节线网的金属二硼化物拓扑催化剂为研究对象，发现对于电催化析氢反应，以d带中心为代表性的多种传统催化描述符并不能与它们的催化活性建立起联系；然而，与拓扑参量直接相关的拓扑表面态密度与其催化活性能够呈现出优异的线性关系。这一催化描述符的建立不仅对理解拓扑催化机制具有重要意义，还将为设计高性能拓扑催化剂提供新的依据。该工作于2023年5月，以研究性论文（Research article）形式在国际期刊Materials Today（DOI: 10.1016/j.mattod.2023.05.002）上发表。论文第一作者为张小明教授，我校博士研究生王莉蓉为共同第一作者，刘国栋教授和昆士兰科技大学寇良志教授为论文通讯作者。
        二维磁性拓扑材料将二维磁性与非平庸拓扑能带特点完美融合，不仅丰富了凝聚态物理的理论体系，也在能源、电子学及信息技术等领域上展现出了巨大应用前景。张小明教授与西南大学王啸天副教授、澳大利亚卧龙岗大学程振祥教授合作，对二维磁性拓扑材料的最新进展进行了全面总结，系统地阐述了二维磁性拓扑材料的基本理论、研究进展、材料实现、潜在应用和未来挑战。该工作于2023年11月，以综述形式发表在国产旗舰期刊Science Bulletin（DOI: 10.1016/j.scib.2023.09.004）上。论文第一作者为张小明教授，西南大学王啸天副教授、我校博士研究生何婷丽为共同第一作者，我校刘国栋教授和卧龙岗大学程振祥教授为论文通讯作者。
        随着高阶拓扑绝缘体概念被提出，高阶拓扑绝缘体在各种非磁材料体系中逐渐被发现。然而，在天然磁性材料体系中仍然缺少相应易合成的候选材料。该团队刘影教授与刘国栋教授依托铁磁性H相单层VS2发现高阶拓扑绝缘体可以在磁性材料中良好的表现出来，为磁性和高阶拓扑结合所表现出的独特物性研究提供了良好平台。该工作首次在铁磁性的两个自旋通道中发现具有自旋极化的角态，且角态被量子化的分数角电荷表征。该工作验证了角态对对称性破缺的抗扰动能力，大大降低了在实验上验证高阶性质的难度。该工作于2023年7月在国际期刊Advanced Science (DOI: 10.1002/advs.202301952)上在线发表。我校刘国栋教授为论文第一作者，刘影教授为论文通讯作者。
        实陈数拓扑态是近年来凝聚态物理学中研究的一个焦点。它们的拓扑分类不同于传统的拓扑材料，具有独特的物理特性，如非常规的体边对应关系、非阿贝尔编织效应等。近期，实陈数绝缘体在一些碳基材料中被提出。这些材料没有磁性且自旋轨道耦合效应可以忽略不计。然而，实陈数绝缘体尚未在时间反演对称性破缺的磁性体系中获得实现。张小明教授与香港大学陈聪博士、山东大学吴维康博士、新加坡科技设计大学杨声远教授研究组展开合作，首次在一系列二维金属有机框架材料中实现磁性实陈数绝缘体。该工作于2023年8月3日，在国际期刊Nano Letters（DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01723.）上在线发表。张小明教授为论文第一作者兼通讯作者，我校博士研究生何婷丽为共同第一作者，我校刘国栋教授为论文通讯作者。
       上述研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、河北省自然科学基金优青项目、河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室优青项目、PI团队项目的支持。
       文章链接：
       https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1369702123001384
       https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2095927323006205
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301952
       https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202301952
      主要作者简介：
       张小明，男，1987年出生，教授，博士生导师，河北工业大学“元光学者”。2016年1月博士毕业于中国科学院物理研究所，2016-2018年在新加坡科技设计大学开展博士后研究工作，2018年3月就职河北工业材料科学与工程学院，研究方向为拓扑电子材料的物性与应用。目前主持3项国家自然科学基金，主持省部级基金/人才项目/横向项目7项，其中1项单项合同额2000万元。目前，以第一作者/通讯作者在Journal of the American Chemistry Society、Materials Today、Science Bulletin等国际材料物理与化学领域期刊发表SCI论文70余篇，论文总引用4900余次。担任中科院大类一区top期刊Rare Metals青年编委。曾获得津市131创新人才、天津市青年人才托举工程、天津市创新人才推进计划优秀青年学者，并于2021-2023连续三年入选斯坦福大学评全球前2%顶尖科学家榜单。
       刘影，准聘教授，博士生导师，河北工业大学“元光学者”。2020年毕业于新加坡科技与设计大学，主要从事界面电子输运性质，拓扑材料物性及应用研究。当前主持国家自然科学基金面上和青年项目两项，主持河北省优秀青年基金1项，河北省百人计划1项，河北省自然科学基金绿色通道项目1项，河北省留学归国人员项目1项，以第一作者/通讯作者发表SCI论文40余篇，包括Physical Review Letters, Advanced Science, Physical Review B等，近三年引用超2600次，h-index 27。
        刘国栋，河北工业大学理学院副院长，教授，博士生导师，天津市真空学会理事。教育部新世纪人才，河北省首批拔尖人才，河北省政府特殊津贴专家、河北省“三三三人才工程”第一层次、河北省高校百名创新人才。主要从事新型电子功能材料的设计、开发、物性研究及材料的应用推广。在JACS，Materials Today, Nano Letters, Advanced Science, AM, PRB, APL等专业杂志发表SCI论文180余篇，其中一区/TOP论文50余篇，论文成果被包括Science, Physical Review Letters等顶级期刊引用达5000次。主持国家自然科学基金等省部级以上项目10余项,授权国家发明专利10项。获河北省自然科学二等奖2项（排名 1），连续三年入选 "全球前2%顶尖科学家榜单"。
        文章来源：河北工业大学