二維晶體氮——氮烯的合成 | 進展

氮是地球大氣中含量最豐富的元素。常溫常壓下，單質形態的氮以N?分子形式存在，具有很強N≡N三鍵，因此非常穩定。固體形態的氮晶體只能在低溫或高壓條件下存在。近年來，理論研究預言，在二維極限下，原子級厚度的氮，即氮烯，可以在常溫常壓下穩定存在，并且具有多種可能的晶體結構，比如類石墨烯結構、類黑磷等等，相應地展現出豐富多樣的化學與物理性質。然而，二維氮的合成較為困難，一方面，打破穩定的N≡N三鍵比較困難，另一方面，打破三鍵后所產生的氮原子具有很強的化學活性，容易與環境中的雜質元素發生反應而形成不利于氮烯生長的中間產物，這對生長環境的真空度提出了很高的要求。因此，氮烯的實驗合成一直是凝聚態物理和材料科學中的前沿難題。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室 SF09 組的馮寶杰研究、吳克輝研究員（現錢塘高等研究院）、陳嵐研究員長期從事低維合成材料的實驗研究，制備出了包括硅烯、硼烯等多種低維合成材料，在國際上引起了高度關注。最近，他們指導博士生胡學高、高志成等，發展了離子束輔助外延（ion-beam-assisted epitaxy）技術，在Ag(100) 金屬襯底上成功制備出了氮烯。他們利用掃描隧道顯微鏡（STM）、掃描隧道譜（STS）、角分辨光電子能譜（ARPES）、X射線光電子能譜（XPS）等實驗技術，并且與SF10組孟勝研究員指導的博士生曹海軍、周輝展開合作，結合第一性原理計算，確認了氮烯具有類黑磷的原子結構。

圖：氮烯的合成和物性表征

他們發現，N在Ag(100)襯底上會形成一層化學計量比接近AgN的緩沖層，并在緩沖層上生長出了類黑磷結構的氮烯，具有天然的翹曲結構，并且相對于襯底形成了(√2×√2)R45°的超結構。他們發現，該體系在費米能級以下同時存在電子型和空穴型能帶，在費米能級以上1.1 eV處具有顯著的態密度峰，這些實驗結果與理論計算結果非常吻合。更為重要的是，不考慮襯底的氮烯的帶隙約7.5 eV，超過了絕大多數寬帶隙絕緣體。

該研究不僅首次獲得了氮烯存在的實驗證據，也為理解氮在二維極限下的化學鍵合行為提供了新的視角。這一從氣相分子到二維晶體的轉變，突顯了氮元素在低維體系中的化學性質的多樣性。由于氮烯具有其極大的帶隙，因此也為構建高k介電材料、高效發光與檢測器件等領域提供了重要的材料基礎。相關研究以 “Evidence of a two-dimensional nitrogen crystalline structure on silver surfaces”為題發表在近期的 Nature Communications 上。中國科學院物理研究所博士生胡學高、曹海軍、高志成和周輝為論文共同第一作者，陳嵐研究員、孟勝研究員、吳克輝研究員和馮寶杰研究員為論文通訊作者。該工作得到了科技部、基金委、北京市和中國科學院等項目的資助。

編輯：endlesscliff