近日，美國化學學會會志Journal of the American Chemical Society(JACS)以全文形式刊發了北京大學應用物理與技術研究中心王前教授課題組及其合作者題為 「Three-dimensional Metallic Boron Nitride」 的研究論文，報導了他們在三維金屬性氮化硼材料的理論設計與研究方面取得的最新進展(http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja410088y)。
硼和氮在元素周期表中與碳相鄰，是由硼和氮構成的典型化合物。氮化硼（Boron Nitride）材料與碳材料結構相似，密度相當，如它們都能形成結構相似的一維納米管，二維納米片和三維的金剛石結構。然而與碳不同的是，迄今為止發現的所有氮化硼材料均為絕緣體，而碳在某些特定的構型中可以表現出金屬特性。由於氮化硼材料具有非常好的熱穩定性和化學穩定性，因此氮化硼通常被用作高溫絕緣材料。若能實現氮化硼的金屬化，必將大大拓寬其應用領域，為此科學家們做了不懈的努力。現有的研究表明，儘管單質硼和氮均可通過高壓手段實現金屬化，它們構成的二元化合物氮化硼卻在高壓下仍然表現出絕緣特性。在純的硼化氮材料中，由於硼和氮的電負性差別很大，硼和氮通常會形成強的極性共價鍵，使得電子高度局域，所以在純的氮化硼材料中實現金屬特性非常困難。儘管可以通過邊緣或表面修飾、外加電場等改變外界物理化學環境來實現氮化硼材料的金屬性，但由此獲得的並非是氮化硼材料的本徵金屬特性。
王前課題組及其合作者通過分析實現氮化硼材料金屬化所需的條件，利用硼原子可以形成多電子多中心鍵的特性，設計出了一類具有sp2-sp3複合雜化方式的氮化硼四方晶繫結構，並通過高精度的理論計算與模擬論證了其熱力學亞穩特性和動力學穩定性，電子結構計算表明這類氮化硼材料具有金屬性。由於這類新結構中的原子所採取的獨特堆垛方式，導致了sp2雜化的B原子中部分p電子表現出離域特性，而金屬特性正是來源於這些離域電子。這種金屬性氮化硼材料在製備新型電子器件等方面具有非常廣闊的應用前景，同時這一發現也使得人們對於氮化硼這一傳統絕緣材料有了新的認識。
JACS在「Spotlights on Recent JACS Publications」專欄中以「High-Temperature Insulator Has Metallic Potential」為題，將此研究工作選為亮點作了重點評述（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja4124016）。此外，Wiley-VCH 旗下的Chemistryviews網站以「Anything C Can Do, Can BN Do Better?」為題對這一工作進行了專題評述（http://www.chemistryviews.org/details/ezine/5584641/Anything_C_Can_Do_Can_BN_Do_Better.html）。
該論文的第一作者為北京大學應用物理與技術研究中心博士研究生張順洪，通訊作者為王前教授，合作者包括日本東北大學金屬研究所的Yoshiyuki Kawazoe教授，維吉尼亞聯邦大學物理系的Puru Jena教授。該研究得到國家自然科學基金委、973項目的資助。
工學院新聞連結：http://www.coe.pku.edu.cn/subpage.asp?id=5013
編輯：歆琴