二维晶体氮——氮烯的合成 | 进展

氮是地球大气中含量最丰富的元素。常温常压下，单质形态的氮以N₂分子形式存在，具有很强N≡N三键，因此非常稳定。固体形态的氮晶体只能在低温或高压条件下存在。近年来，理论研究预言，在二维极限下，原子级厚度的氮，即氮烯，可以在常温常压下稳定存在，并且具有多种可能的晶体结构，比如类石墨烯结构、类黑磷等等，相应地展现出丰富多样的化学与物理性质。然而，二维氮的合成较为困难，一方面，打破稳定的N≡N三键比较困难，另一方面，打破三键后所产生的氮原子具有很强的化学活性，容易与环境中的杂质元素发生反应而形成不利于氮烯生长的中间产物，这对生长环境的真空度提出了很高的要求。因此，氮烯的实验合成一直是凝聚态物理和材料科学中的前沿难题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室 SF09 组的冯宝杰研究、吴克辉研究员（现钱塘高等研究院）、陈岚研究员长期从事低维合成材料的实验研究，制备出了包括硅烯、硼烯等多种低维合成材料，在国际上引起了高度关注。最近，他们指导博士生胡学高、高志成等，发展了离子束辅助外延（ion-beam-assisted epitaxy）技术，在Ag(100) 金属衬底上成功制备出了氮烯。他们利用扫描隧道显微镜（STM）、扫描隧道谱（STS）、角分辨光电子能谱（ARPES）、X射线光电子能谱（XPS）等实验技术，并且与SF10组孟胜研究员指导的博士生曹海军、周辉展开合作，结合第一性原理计算，确认了氮烯具有类黑磷的原子结构。

图：氮烯的合成和物性表征

他们发现，N在Ag(100)衬底上会形成一层化学计量比接近AgN的缓冲层，并在缓冲层上生长出了类黑磷结构的氮烯，具有天然的翘曲结构，并且相对于衬底形成了(√2×√2)R45°的超结构。他们发现，该体系在费米能级以下同时存在电子型和空穴型能带，在费米能级以上1.1 eV处具有显著的态密度峰，这些实验结果与理论计算结果非常吻合。更为重要的是，不考虑衬底的氮烯的带隙约7.5 eV，超过了绝大多数宽带隙绝缘体。

该研究不仅首次获得了氮烯存在的实验证据，也为理解氮在二维极限下的化学键合行为提供了新的视角。这一从气相分子到二维晶体的转变，突显了氮元素在低维体系中的化学性质的多样性。由于氮烯具有其极大的带隙，因此也为构建高k介电材料、高效发光与检测器件等领域提供了重要的材料基础。相关研究以 “Evidence of a two-dimensional nitrogen crystalline structure on silver surfaces”为题发表在近期的 Nature Communications 上。中国科学院物理研究所博士生胡学高、曹海军、高志成和周辉为论文共同第一作者，陈岚研究员、孟胜研究员、吴克辉研究员和冯宝杰研究员为论文通讯作者。该工作得到了科技部、基金委、北京市和中国科学院等项目的资助。

编辑：endlesscliff