北大取得氮化硼材料金属性研究新进展

2017-12-25  来自: 青州东山新材料有限公司 浏览次数:265

近日,美国化学学会会志Journal of the American Chemical Society(JACS)以全文形式刊发了北京大学应用物理与技术研究中心王前教授课题组及其合作者题为 “Three-dimensional Metallic Boron Nitride” 的研究论文,报道了他们在三维金属性氮化硼材料的理论设计与研究方面取得的新进展。

  硼和氮在元素周期表中与碳相邻,是由硼和氮构成的典型化合物。氮化硼(Boron Nitride)材料与碳材料结构相似,密度相当,如它们都能形成结构相似的一维纳米管,二维纳米片和三维的金刚石结构。然而与碳不同的是,迄今为止发现的所有氮化硼材料均为绝缘体,而碳在某些特定的构型中可以表现出金属特性。由于氮化硼材料具有非常好的热稳定性和化学稳定性,因此氮化硼通常被用作高温绝缘材料。若能实现氮化硼的金属化,必将大大拓宽其应用领域,为此科学家们做了不懈的努力。现有的研究表明,尽管单质硼和氮均可通过高压手段实现金属化,它们构成的二元化合物氮化硼却在高压下仍然表现出绝缘特性。在纯的硼化氮材料中,由于硼和氮的电负性差别很大,硼和氮通常会形成强的极性共价键,使得电子高度局域,所以在纯的氮化硼材料中实现金属特性非常困难。尽管可以通过边缘或表面修饰、外加电场等改变外界物理化学环境来实现氮化硼材料的金属性,但由此获得的并非是氮化硼材料的本征金属特性。

  王前课题组及其合作者通过分析实现氮化硼材料金属化所需的条件,利用硼原子可以形成多电子多中心键的特性,设计出了一类具有sp2-sp3复合杂化方式的氮化硼四方晶系结构,并通过高精度的理论计算与模拟论证了其热力学亚稳特性和动力学稳定性,电子结构计算表明这类氮化硼材料具有金属性。由于这类新结构中的原子所采取的堆垛方式,导致了sp2杂化的B原子中部分p电子表现出离域特性,而金属特性正是来源于这些离域电子。这种金属性氮化硼材料在制备新型电子器件等方面具有非常广阔的应用前景,同时这一发现也使得人们对于氮化硼这一传统绝缘材料有了新的认识。

  JACS在“Spotlights on Recent JACS Publications”专栏中以“High-Temperature Insulator Has Metallic Potential”为题,将此研究工作选为亮点作了评述。此外,Wiley-VCH 旗下的Chemistryviews网站以“Anything C Can Do, Can BN Do Better?”为题对这一工作进行了专题评述。

  该论文的作者为北京大学应用物理与技术研究中心博士研究生张顺洪,通讯作者为王前教授,合作者包括日本东北大学金属研究所的Yoshiyuki Kawazoe教授,弗吉尼亚联邦大学物理系的Puru Jena教授。该研究得到自然科学基金委、973项目的资助。

来源:北京大学责任编辑(liukai)


关键词: 氮化硼材料金属性           

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