【Science Bulletin 封面文章】高压首次合成具有平层聚合氮结构的高阶色散狄拉克费米子材料

石墨烯的全sp²杂化的二维蜂窝状结构，赋予其独特的狄拉克锥的电子结构和优异的机械、电学和热学性能。类石墨烯全sp²杂化原子层结构被认为具有承载非平庸的拓扑电子结构的能力及新奇物理性质，这吸引了大量的研究工作来探索石墨烯之外的全sp²杂化二维材料。元素周期表中，氮与碳相邻，是地球大气中最丰富的元素，但是由于极强氮氮三键作用，常规条件下氮单质以双原子分子形式稳定存在，而聚合氮材料难以通过传统方法获得。

吉林大学超硬材料国家重点实验室刘冰冰教授团队利用金刚石对顶砧激光加热技术，以KN₃和N₂为初始材料，在80-90 GPa及2100-2400 K的高温高压条件下首次获得全sp²杂化类石墨烯二维聚合氮结构。全sp²杂化的类石墨烯氮原子层由环状N₁₈单元组成，引入钾原子层与聚合氮层构成了类三明治结构的K₂N₁₆超氮材料，实现聚合氮层的稳定化，结构见图1。

图1：(a) K₂N₁₆的X射线衍射谱图，插图为金刚石对顶砧压腔内样品的光学图像；(b，c) K₂N₁₆晶体结构的示意图。

K₂N₁₆的能带结构呈现拓扑半金属特性，同时存在线性及立方电子色散的狄拉克点（图2），成为了高阶色散狄拉克费米子材料家族的第三类新成员，是研究量子临界性、连续量子相变和色散依赖的量子输运等新奇的物理效应的理想材料平台。

图2: (a) K₂N₁₆在78 GPa压力下的能带结构。(b) K₂N₁₆的电子态密度; 红色虚线表示费米能级。(c)，(d)和(e)为(a)中红色虚线框所示能带结构的放大图。(f)，(g)和(h)为Γ-Α和高对称点A和L附近的面内能带色散。

该工作得到了清华大学物理系徐勇教授及其博士生邹念龙在理论方面的支持，计算了K₂N₁₆电子结构中狄拉克点附近的电子色散关系。

该研究成果的共同第一作者为吉林大学博士生隋明宏及刘爽博士，通讯作者为吉林大学王鹏副教授、姚震副教授和刘冰冰教授。

该工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然基金委项目及上海光源同步辐射BL15U1线站的大力支持。

Minghong Sui, Shuang Liu, Peng Wang, et al. High-pressure synthesis of fully sp²-hybridized polymeric nitrogen layer in potassium supernitride. Science Bulletin, 2023, 68(14):1505-1513

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.06.029