稀土元素 - Chemical Reviews - 无机材料纳米结构中的稀土掺杂 (一)- 电子结构与基本性质

掺杂是调制材料物化性能的重要手段,稀土离子由于其独特的光、电以及磁的特征性能而被广泛作为掺杂原子应用于无机晶体晶格中。稀土离子掺杂可以有效的调控晶体的晶相,形貌结构和大小进而改变材料本身的光学响应。同时,稀土离子可以有效地调制纳米材料的电子结构和催化性能。相关材料被广泛应用于卫生保健(生物成像和治疗),环境保护(催化处理污染物和清洁能源转化),科学技术突破(光学通信和三维成像)。

稀土元素包括15种镧系元素:镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)以及2种III B副族元素:钪(Sc)和钇(Y)。钪(Sc)和钇(Y)的基态电子排布为[Ar] 3d1 4s2 and [Kr] 4d1 5s2,镧(La)、铈(Ce)、钆(Gd)和镥(Lu)的基态电子排布为[Xe] 4fn−1 5d1 6s2,其余元素的基态电子排布为[Xe] 4fn 6s2。尽管5s和5p轨道相较于4f轨道的能量更低,但当5s和5p为充满状态时会弥散在外层电子云处,导致了4f轨道被5s和5p轨道电子弱屏蔽。

由于相似的[Xe] 4fn−1 5d1 6s2和[Xe] 4fn 6s2的基态电子排布,外层电子更容易失去5d1和6s2或4fn和6s2轨道上的三个电子而趋于[Xe] 4fn−1电子态,因此稀土离子常常以三价的形式存在。因此随着原子序数的增加,镧系原子半径会有序的减小,这被称为镧系收缩。尽管三价氧化态作为稀土元素存在的稳定状态,但稀土的其他价态涉及4f轨道的全空,半充满以及全充满也被一一发现Ce4+ ([Xe]4f0), Eu2+ ([Xe]4f7), Tb4+([Xe]4f7), 以及Yb2+ ([Xe]4f14)。

稀土另一个独特性质是其窄带光吸收和原子层内4f-4f轨道的电子跃迁(由于5s和5p的静电屏蔽效应导致,4f轨道的电子不参与与周围分子的成键),因此4f-4f的电子跃迁较为稳定。

同时,除了三价镧离子和三价镥离子基态电子为抗磁性,其他镧系离子基态电子都为顺磁性,这是由于4f轨道未配对电子所导致。由于屏蔽效应,镧系元素的磁矩也与周围的环境无关。稀土元素常常表现为强自旋-轨道耦合和弱配体场轨道分裂,导致其零场裂分和磁各向异性。因此稀土掺杂的顺磁纳米材料常常用于核磁共振成像(MRI)中作为造影剂。

DOI: 10.1021/acs.chemrev.1c00644

#新闻安大#
具有一定拓扑数的不同类型的拓扑保护的自旋织构,如斯格明子、反斯格明子及霍普夫子等有望用于高密度、低能耗的新型磁信息存储当中,而非共线磁结构是形成拓扑自旋结构的必要条件。近年来,研究人员在稀土基中心对称体系当中发现的多拓扑荷自旋结构,在电流驱动下具有较大的Skyrmion Hall效应。为降低驱动电流阈值及避免Skyrmion Hall效应,半整数的拓扑半子如麦韧,成为磁信息存储及自旋电子学的研究热点。基于此,王守国教授团队利用原位洛伦兹透射电镜原位观察到Tb-Co-Si材料当中自发的高密度(反)麦韧链,利用第一性原理及微磁模拟揭示了稀土原子Tb的非共线结构是形成拓扑(反)麦韧连的主要原因。相关研究成果以“Spontaneous Topological (Anti)meron Chains in the Domain Walls of Centrosymmetric Rare-Earth Magnet”发表于材料学科顶级期刊《Advanced Functional Materials》(DOI:10.1002/adfm.202314127)。安徽大学材料科学与工程学院许家旺副教授和博士生王黎明为本文第一作者,王守国教授和中国科学院物理研究所张颖研究员为通讯作者。

低温磁制冷技术具有高效、环保、节能等优势,在液氦液氢等方面具有极大的应用价值。稀土基合金材料由于表现出丰富的磁性及复杂的磁相变成为优良磁制冷材料的研究对象,然而其巨磁热效应的来源及磁各向异性的内在机制以及磁相变与结构演化之间的关系尚不明确。基于此,王守国教授团队利用低Gennes factors的Er和Tm原子来调控HoCuAl磁体的磁相变和磁制冷性能。相较于母体材料,10%的Er或Tm替代,0-5T变化下的磁熵变峰值分别增加了25%和10%,相应的制冷能力分别提高了40%和20%。利用中子衍射等实验手段证实了微量Er或Tm替代显著增强的磁热效应是由于磁有序温度的降低和磁各向异性的减弱。相关研究成果以“Significant enhancement of magnetocaloric effects via tuning Curie temperature and magnetic anisotropy in rare-earth based compounds”发表于材料学科导向期刊《Applied Materials Today》(35 (2023) 101982)。安徽大学材料科学与工程学院许家旺副教授为本文第一作者,王守国教授和北京科技大学郑新奇副教授为通讯作者。安徽大学为第一通讯单位。

【图1: Tb-Co-Si磁体自发磁畴结构转变,相变过程当中原位观察到自发高密度拓扑(反)麦韧链 图2: (a,b) Ho1-xRxCuAl(R=Er或Tm)磁体在0-5T磁场变化下的磁熵变峰值,制冷能力RC,居里温度以及在5T磁场下的饱和磁矩】

旅行Recap:泰国普吉岛 夏校初体验

出行时间2023.7,在普吉半个月的岛民生活,白天孩子们去国际学校夏校,我们回公寓处理点工作就去探店、打拳、做spa,下午接了娃再继续到处玩。那半个月简直是幸福的生活的顶峰。

D1: 普吉

在普吉这半个月,我们在airbnb上短租了个公寓。小区带2个泳池和健身房,两房一厅。我们和好友一起合租,平摊才150人民币一晚。位置在国际学校附近。https://t.cn/A6jNKxvi

⚠️出境泰国一些注意事项(时差、签证、钱币、申报、电话卡,小天才手表插卡):https://t.cn/A6jNKxvW

安置好去【central phuket尚泰 旧塔的美食城】吃饭https://t.cn/A6jNKxvQ

D2:普吉

早餐【kin kon krua】超喜欢,普吉最爱https://t.cn/A6jNKxv9、https://t.cn/A6jNKxvK

路边小店冰淇淋https://t.cn/A6jNKxvC

【The shelter coffee】https://t.cn/A6jNKxvN

【奈迪大象关爱中心elephant care center】不推荐https://t.cn/A6jNKxvl、https://t.cn/A6jNKxv8

【NAKA夜市】超棒!推荐烤肉档口https://t.cn/A6jNKxvo

D3:普吉

早上去学校上学啦https://t.cn/A6jNKxvS

包包今年暑假来上的是【headstart】,纯ib学制的国际学校,当地三大国际学校之一https://t.cn/A6jNKxvT

聊一聊泰国普吉岛的几间国际学校https://t.cn/A6jNKxv0

送完孩子我们去普吉镇逛街+吃街边米其林了
【Roti Thaew Nam】https://t.cn/A6jNKxva
【普吉老镇】https://t.cn/A6jNKxvj

去了镇上的咖啡三巨头:
【Graph Coffee】https://t.cn/A6jNKxvg
【Dou Brew】https://t.cn/A6jNKxvp
【Campus Coffee】https://t.cn/A6jNKxv6

【Aroon restaurant】https://t.cn/A6jNKxvO

去学校接娃啦https://t.cn/A6jNKxve

【Coconut tennis academy】放学约了一节法国教练的网球私教课继续放放电。whatsapp约课,单次课现场付款。法国教练1v1私教一节课1500泰铢,人民币300元,俄罗斯是女教练1800泰铢。https://weibo.com/5701560760/NbpnOkCs7

回公寓楼下泳池游泳https://weibo.com/5701560760/NbprKmYST

晚上第一次尝试了用grab叫外卖https://weibo.com/5701560760/NbptZeOil

D4:普吉

送完孩子去山里的【普吉华德福学校】参观https://weibo.com/5701560760/NbtvT5OaK

隔壁就是【Phuket Nature elephant reserve普吉大象自然保护区】https://weibo.com/5701560760/NbtN1puHP

【New Break Taek Noodle Shop ก๋วยเตี๋ยวนิวเบรคแตก บขส.เก่า ภูเก็ต】好吃推荐!https://weibo.com/5701560760/Nbu52m11p

【尚泰】购物https://weibo.com/5701560760/NbyHr3x5T

【Laem Sai Cup Cafe】下午放学接了之后就直奔卡塔海滩,去悬崖咖啡馆。记得带现金!https://weibo.com/5701560760/NbyUBrOsF、https://weibo.com/5701560760/NbCs2hidf

【班赞Banzaan fresh market】班赞海鲜市场。小贩中文各个八级,请务必尽情疯狂大砍价https://weibo.com/5701560760/NbCANEBkA、https://weibo.com/5701560760/NbCLLfmJv、
楼下买海鲜,楼上加工。这家加工一般https://weibo.com/5701560760/NbCUl8zqo

等海鲜加工的时候,孩子们编发
https://weibo.com/5701560760/NbCXptygL

D5:普吉

早餐踩雷https://weibo.com/5701560760/NbHagFFiB
包她们班offsite去field trip了。据说去了Dino park还玩了mini golf https://weibo.com/5701560760/NbHJcD5VL

今天白天妈妈们去做泰餐。有机菜园香料花园里的Thai Cooking Class,https://weibo.com/5701560760/NbHYBznTs
【Thai Cooking Class with Judy】,在klook上预定的。https://weibo.com/5701560760/NbMnUB5nP、https://weibo.com/5701560760/NbMr6ihd6、https://weibo.com/5701560760/NbMuOfcua、https://weibo.com/5701560760/NbMx7vGf4、https://weibo.com/5701560760/NbMMuaHMR
https://weibo.com/5701560760/NbMTSvg1L、https://weibo.com/5701560760/NbN0jqaD7
https://weibo.com/5701560760/NbN8aopLM

放学接娃去【Nemo Dolphins Bay】海豚湾https://weibo.com/5701560760/NbHQ45pqw
晚餐吃【Marni】好看好吃的披萨https://weibo.com/5701560760/NbHVd03IW

D6:普吉

送完娃回家远程处理了一上午工作,中午去吃【Kopitiam by Wilai元春堂】https://weibo.com/5701560760/NbVFXzQAI
吃完立刻杀去【Phu Montra】做spa,推荐!https://weibo.com/5701560760/NbVOOBjDH
没好好享受,一做完又立刻杀去接娃了……

接上孩子去【Tiger Muay Thai】打泰拳https://weibo.com/5701560760/NbWmrkkHy、https://weibo.com/5701560760/NbRgxrAJd

【Tang ToH Cafe】打完拳去附近同学妈妈推荐的一家爬行动物餐厅https://weibo.com/5701560760/NbWqp6WGc、https://weibo.com/5701560760/NbWscc6M9

D7:普吉

【Ho Hi Ho】好吃又美丽的一家brunch餐厅https://weibo.com/5701560760/NbWJadCxU
【homes】乡下的咖啡馆https://weibo.com/5701560760/NbYivyygd

夏令营上了一周,今天下午是end of the week presentation,家长可以去体育馆观看他们这一周的成果https://weibo.com/5701560760/NbYploj56

开启周末模式啦!订了个苏林海边的度假酒店,放学就往海边去,这周末住这里。

天气超好,山坡小屋很美。【苏林酒店The Surin Phuket】 https://weibo.com/5701560760/Nc0cKsxpj
游泳去https://weibo.com/5701560760/Nc0fGw8Di、https://weibo.com/5701560760/Nc0Wlaozc、https://weibo.com/5701560760/Nc0Z5jd5x,晚上在海边露天餐厅吃,头差点没被海风吹掉哈哈https://weibo.com/5701560760/Nc11E3oYm

D8:普吉

早安!https://weibo.com/5701560760/Nc5mP6Tx8
一早起来又去游泳https://weibo.com/5701560760/Nc5pOENv2

Dior在苏林的快闪,【Dior x the Surin】 粉色小屋
https://weibo.com/5701560760/Nc9uLm7F4、https://weibo.com/5701560760/Nc9xumjl5

【Three Monkeys三只猴子餐厅】踩雷!https://weibo.com/5701560760/Nc9Sw8oKr、https://weibo.com/5701560760/Nca8ys5gx

D9:普吉
【โรงโกปี๊ 】泰式的老式早午餐小店。推荐。https://weibo.com/5701560760/Ncfr9acmv

今天半日跳岛行。7、8月泰国是雨季,出海天气瞬息万变,安全起见我们只定了半天的双体船(冰淇淋号),TB选的一家,一个人人民币300多。出海安全第一。先看好天气,雨季一定不要选快艇和长尾船https://weibo.com/5701560760/NcyTOCg4m

【蛋岛】https://weibo.com/5701560760/NczoMdSAm、https://weibo.com/5701560760/Nczqu17DH

D10:普吉

【Asterisk Espresso】https://weibo.com/5701560760/NcBFnud9U
【Tarzan Adventure Phuket】丛林飞跃https://weibo.com/5701560760/NcBMSm6tO

【Tarzan Seaside Cafe】https://weibo.com/5701560760/NcBTDEbqY

逛超市https://weibo.com/5701560760/NcBYwdbiR

放学接了娃去【卡塔海滩冲浪】,Kata Beach有很多的surf school,儿童(一般建议8岁以上),只能上私教课。冲浪不建议上团体课,真的是海里是一转眼没影的。这家Kata Surf是1000泰铢一节私教课,1小时。我们买了五小时,折合下来大概800-900泰铢一小时(差不多人民币165元),而且还包含照片,摄影师抓拍得很好。这在普吉学冲浪简直约等于不需任何经济基础… https://weibo.com/5701560760/NcC1vvFYr、https://weibo.com/5701560760/NcC3w9gZW、https://weibo.com/5701560760/NcC5A6aLi

冲浪完的晚餐,海边餐厅https://weibo.com/5701560760/NcCgxspTT

普吉打车碎碎念:https://weibo.com/5701560760/NcC9LvoBg

D11:普吉

【Oasis Spa】自从上周因为踩点接孩子没有好好享受spa的遗憾之后,我们痛下决心要好好找一家值得再次托付的。选了天花板的oasis,我们去的是卡塔微风breeze门店。在山上,远方山顶就是普吉大佛。https://weibo.com/5701560760/NcCf7p1ib

尚泰新塔有家猪脚饭【宁记】,推荐https://weibo.com/5701560760/NcCjrDZpH

包包说想在离开泰国前再去打一次泰拳,于是放学又来tiger muay thai打泰拳https://weibo.com/5701560760/NcClRfKiL

【We cafe】超级推荐!被很多人称作“在普吉的食堂”的有机果蔬自种自营的,非常健康的餐厅。后院种了薄荷迷迭香等香料、沙拉菜。实现from garden to table,https://weibo.com/5701560760/NcGLpjq6K、https://weibo.com/5701560760/NcGNEpxTY

D12: 普吉

【普吉镇】https://weibo.com/5701560760/NcJqw1d3c
【鑫发 O Cha Rot Beef Noodle】跑空两次的米其林。一份牛肉面65泰铢(人民币13元),真的是平价米其林。不过我们面选错了,这个细粉不够味哈。还是要选粗面。味道还是不错的,卤牛肉比较柴,牛肉丸挺香。 https://weibo.com/5701560760/NcJwz2b6N

【Hock Hoe Lee 利和福】普吉岛最早的咖啡烘焙商。据说早期是华人Tan先生逃离战争来普吉创立的。镇上的这家是只卖豆子的厂房,还有一家咖啡馆在普吉岛上。https://weibo.com/5701560760/NcJzXqxd8

【Phuket City View Point普吉观景台】https://weibo.com/5701560760/NcJBt1rsN
【Tunk-KA Cafe】市区里的山坡餐厅https://weibo.com/5701560760/NcJEGft1F

放学回家必去7-11 https://weibo.com/5701560760/NcJGeiDuh

回家继续下楼游泳去https://weibo.com/5701560760/NcK8b0iyV

逛了尚泰https://weibo.com/5701560760/NcLHEEOcl

【One Chun】晚上又到普吉镇吃平价米其林餐厅了https://weibo.com/5701560760/NcLLHBCop

D13:普吉

【Khao Tom Thanon Di Buk】今早依然是去镇上吃个平价米其林早餐。https://weibo.com/5701560760/NcQEggEgW

昨天包包她们这个年龄段三个班级去field trip,这周是到kidzoona(室内游乐场)和aquaria(水族馆)https://weibo.com/5701560760/NcQN74U9O

两个小女生相爱相杀的同居生活came to an end. https://weibo.com/5701560760/NcRr245yL

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然后我们就离开普吉,飞往香港,包包在香港无缝衔接一个小提琴比赛。比完赛和前来汇合的弟弟爸爸继续在香港玩了两天,回厦门啦。结束此次半个月的快乐假期。

在我和女儿心里,这个即将上二年级的暑假是无法复刻的美好回忆。她回来后每次问她周末想去哪玩,都会回答我“登机去泰国”哈哈哈所以我们隔了一个多月,国庆假期又去泰国玩了一个礼拜。我觉得最理想的度假模式,是孩子们去当地的学校插班/夏校,家长在当地度假。我们已经在展望今年暑假了!

希望这篇对想去泰国的你有帮助。

国庆的清迈行见这篇:https://weibo.com/5701560760/4995464151960668

#带孩子见世面是见哪一面##大咖话育儿##转发接龙开新年#


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