银表面二维氮晶体结构的实验证据：7.5 eV宽带隙氮烯的突破性合成

《Nature Communications》：Evidence of a two-dimensional nitrogen crystalline structure on silver surfaces

本刊推荐：为解决二维材料中宽带隙半导体的稀缺性问题，研究人员通过离子束辅助外延技术在Ag(100)表面成功合成氮烯类似结构。结合STM、ARPES和DFT计算，证实该结构具有约7.5 eV的超大带隙，为紫外光电器件和高端介电材料应用提供了新范式。

　　

在大气中含量高达78%的氮元素，通常以双原子分子形式稳定存在，其强大的N≡N三键（结合能约10 eV）使得氮气成为最惰性的气体之一。尽管理论预测二维氮晶体（氮烯）可能具有黑磷型、蜂窝状等多种晶型，但因其合成需要打破极强的氮氮三键，实验制备一直被视为材料科学的重大挑战。传统高压法制备的立方网状氮等晶体在常压下会迅速分解，更凸显了在温和条件下稳定二维氮晶体的难度。

近日发表于《Nature Communications》的研究首次报道了在银衬底上成功合成氮烯类似结构。该团队通过精准控制氮离子束能量（30 eV）和衬底温度（400 K），在Ag(100)表面构建出(√2×√2)R45°超晶格结构。结合多种表征手段，证实该结构具有高达7.5 eV的带隙，刷新了二维宽带隙材料的记录。

研究关键技术包括：采用离子束辅助外延技术生成活性氮物种；利用扫描隧道显微镜（STM）和低能电子衍射（LEED）解析原子结构；通过角分辨光电子能谱（ARPES）和扫描隧道谱（STS）测定电子结构；结合密度泛函理论（DFT）计算验证结构模型。所有实验均在超高真空系统（基础压力1×10^-8Pa）中完成。

合成氮烯类似结构于Ag(100)

研究团队通过优化离子源参数，使N₂⁺离子以30 eV动能轰击银表面，通过碰撞作用解离氮分子并促进原子迁移。STM图像显示氮烯岛屿呈现4.2 ?晶格常数的方形晶格，LEED图谱明确显示出相对于Ag(100)衬底旋转45°的超结构。值得注意的是，岛屿表观高度低于银衬底，这既源于生长过程中的表面重构，也与氮烯本身的绝缘特性相关。

ARPES测量

ARPES能谱在费米能级下1.3 eV范围内未检测到电子态，证实了材料的绝缘特性。在Γ点观察到的电子-空穴袋在约2.5 eV处近简并，有效质量约为0.5m₀。通过对比原始Ag(100)的能带结构，排除了能带折叠效应的影响，明确该电子结构特征源于氮烯层。

第一性原理计算

DFT计算提出最可能结构模型：氮原子形成翘曲蜂窝状晶格，与黑磷结构相似但存在衬底诱导弛豫。关键发现是氮烯层与银衬底之间存在AgN缓冲层，该缓冲层对稳定氮烯结构起重要作用。XPS谱显示两个N 1s峰，分别对应缓冲层和氮烯层中的氮原子。

电子结构

计算显示氮烯导带与衬底几乎无杂化，保持本征特性。DOS谱在费米能级以上1.1 eV处出现显著峰位，与dI/dV测量结果高度吻合。自由支撑氮烯的带隙计算值达7.5 eV，远超六方氮化硼等二维宽带隙材料。

该研究突破了二维氮晶体的合成瓶颈，揭示了氮元素在二维极限下的独特成键行为。氮烯的室温稳定性与超大带隙特性，使其在紫外光电器件、高k介电材料等领域具有广阔应用前景。这项由Xuegao Hu、Haijun Cao、Zhicheng Gao等研究人员共同完成的成果，不仅拓展了Xene材料家族，更为氮基量子材料的器件应用开辟了新路径。