2020年6月17日
石墨烯，即单层石墨，具有一系列自发现以来就引起广泛关注的新特性。在元素周期表中，氮是仅次于碳的元素，因此人们很自然地质疑氮能否形成类似石墨烯的二维材料。
想象这样一个氮层并不容易，因为氮比碳多一个电子，超过了石墨烯的成键要求。然而，VA族棒氮中的所有元素都具有同素异形体，其层状结构与石墨相似，但层状结构呈屈曲状(图1A)。磷是一种典型的二维材料，来自于弯曲的蜂窝层的黑磷。它展示了许多不同寻常的电子、机械、光学和输运特性，具有作为下一代二维材料原型的巨大潜力。找到bp结构的氮意味着可能合成基于氮的二维材料，或氮基因。
高压下结构变化的经验法则是，高压下的元素表现得就像周期表中低压下的元素。作为VA族的第一元素，氮在磷的正上方。理论计算预测了高压下bp结构氮的形成。然而，将氮转化为BP结构比其他VA元素更具挑战性，因为氮形成的N2分子具有极强的三重化学键。虽然已经对超过100万大气压(100 GPa)的氮气进行了研究，但到目前为止，还没有报道过bp结构的氮气。
“类似于磷的黑、白、红三种同素异形体，它们具有相似的能量，可以相互转化，高压下的单键氮也可能具有能量非常接近的多晶型。虽然bp结构的氮并不是能量最低的同素异体，但我们认为它可以在特定的压力-温度条件下作为亚稳态相合成。”北京高压科学技术高级研究中心(HPSTAR)的联合团队负责人苟汇阳博士说。亚博老虎机网登录
“我们的分子动力学模拟表明，当温度升高时，bp结构的氮在能量上变得更有利，这意味着在高压和高温条件下合成bp结构的氮的可能性。”萨斯喀彻温大学的姚彦孙教授说。
该团队使用钻石砧细胞装置对分子氮施加强大的压力;在两个相反的锋利的金刚石针尖之间挤压微小的氮气样品(图1B)，并通过高功率激光加热使其处于非常高的温度下。他们探索了一个从120万倍大气压到190万倍大气压的大压力范围，并在大约150万倍大气压和1900摄氏度的温度下发现了一种新的氮相的形成。采用同步加速器单晶x射线衍射(XRD)技术(图1C)、拉曼光谱(图1D)和理论计算确定了BP的结构。这种新材料表现出一套与屈曲层的各向异性相关的非凡光学特性，特别是与其他氮相相比，它具有巨大的拉曼强度。通过理论计算也解释了高压实验中长期缺乏bp结构氮的原因。bp结构的氮转化回N2当压力降低时，就会产生气体。未来的研究需要在环境条件下获得亚稳态的bp结构氮。
“bp结构氮的发现是一个典型的展示，表明了在极端条件下基础科学研究的重要性，”HPSTAR主任毛浩光博士补充道。“证明一种材料的存在是走向应用的第一步和关键一步，这可能需要多年甚至几十年的持续研究努力。”
研究团队包括吉程、杨柳祥、万彪、苟辉阳、李冰、毛浩光;萨斯喀彻温大学的Adebayo A. Adeleke和Yansun Yao;先进光子源(APS) (Advanced Photon Source, APS)， Argonne国家实验室(ANL);芝加哥大学的Vitali B. Prakapenka;以及斯坦福大学的Wendy L. Mao。
图1:子图A、C和D来自于这份工作[C。霁,et al .,亚博老虎机网登录科学的进步， 6, eaba9206(2020)]。子图B来自网络http://www.physics.nmsu.edu/~kanani/dac_side_crop.jpg．
来源:http://hpstar.ac.cn/