制作“原子千层面”：新方法将3D材料转化为具有良好性能的稳定分层薄膜

一个研究小组发现了一种将具有三维原子结构的材料转化为近二维结构的方法，这在控制其化学、量子和半导体应用性能方面取得了有前景的进展

材料化学领域不仅试图在原子水平上理解构成世界的物质，还试图理解如何有意地设计和制造它们

这一领域的一个普遍挑战是精确控制化学反应条件以改变材料晶体结构的能力，即它们的原子在空间中相对于彼此的排列方式。控制这种结构对于获得产生独特行为的特定原子排列至关重要。这一过程产生了具有实际应用所需特性的新型材料

由国家可再生能源实验室（NREL）领导的一个研究小组，在科罗拉多矿业学院（Mines）、国家标准与技术研究所和阿贡国家实验室的贡献下，发现了一种将材料从高能（或亚稳态）状态转换为低能、稳定状态的方法，同时注入有序且近乎二维的原子排列——这一壮举有可能释放出有前景的材料特性

研究人员在《自然合成》杂志上发表了一篇题为“稳定层状氮化物薄膜的合成途径”的论文

NREL的高级物理研究员Andriy Zakutayev合成了这些材料并领导了这项研究，他说：“找到生产具有分层、近乎二维结构的稳定薄膜的方法的一个令人信服的原因是，其中许多薄膜具有不寻常的化学、半导体或量子特性。这是因为这种二维材料中的电子只与侧面的其他电子相互作用，而不是上方或下方。”

“这些二维特性在实际应用中可能很有前景，例如用于氢气生产的电催化剂、节能电子设备或用于量子计算的超导量子比特。”

了解无序亚稳相的形成

氮化物是含氮化合物，可以形成坚固的材料。它们以其耐化学性和热稳定性而闻名，这些特性使它们在高性能工业应用中不可或缺，特别是在通常只有几个原子厚的薄膜中。这些薄膜的常见应用包括用作半导体绝缘层以及光学透镜和加工工具的保护涂层

然而，制造薄氮化物膜的过程往往会产生三维且不完全稳定的分子结构。为了获得可用于化学或量子应用的具有稳定二维分层结构的氮化物，NREL研究人员研究了这些中间相形成的原因

当化合物的组成原子到达低能区域（称为局部最小值）时，化合物倾向于进入该结构。原子向这些局部极小值移动的区域称为引力盆地。具有稳定结构且具有较小吸引盆地的化合物更有可能陷入亚稳态——介于稳定性和不稳定性之间

Mines的冶金与材料工程副教授Vladan Stevanovic说：“从理论上讲，吸引力越大，化合物就越有可能沉淀到这种排列中，这就是为什么会形成三维亚稳态氮化物，就像雨水流入道路上一个大坑中形成的大水坑一样。”

“在这里，我们发现了某些亚稳态三维结构如何转变为稳定的、近乎二维的层状结构。这很令人兴奋，就像在科幻小说中发现了一个太空虫洞。”

发现了一种实现稳定层状氮化物薄膜的途径

该团队通过射频溅射用镁和钼合成了氮化物薄膜，这是一种在氩气和氮气气氛中用高能离子轰击前体金属，去除将形成薄膜的原子的过程。然后，在大气氮气环境下对新化合物进行快速热处理

Zakutayev说：“实验观察表明，沉积的化合物结晶成具有元素无序的三维亚稳态立方结构。”

“但是当我们加热到700°C（1292°F）以上时，化合物转化为具有元素有序的六边形结构的近二维薄膜。我们对无序中有序的出现感到非常惊讶——这就像把混合的意大利面、奶酪和蔬菜放在一个锅里，然后把它从烤箱里拿出来，在那里找到一个美味的分层千层面。”

解决这个谜团的关键是隐藏在原本无序的亚稳态材料中非常短的原子长度尺度上的元素有序。除了理论计算外，该团队还用其他三种氮化物材料和两次独立的实验测量验证了这一发现

薄膜转化途径的影响

除了团队实验中的特定化合物外，该团队的发现也适用于其他已知只能形成三维立方结构的氮化物薄膜。对材料最终原子结构的控制对于改变材料的性质至关重要

对于具有量子特性的材料来说尤其如此，这些材料对原子结构的微小变化反应迅速，对于具有可通过原子重排调节的半导体特性的材料也是如此

“我们的团队能够使用这种相同的方法在分层、近乎二维的结构中合成其他三种氮化物化合物，证明了我们方法的普遍性，”NREL的Rebecca Smaha说，她是进行同步辐射测量的材料科学研究员

“我们还对如何合成这些材料进行了理论解释，使这种合成方法适用于氮化物以外的其他化学物质。我很高兴看到如何利用这种合成途径在无机固态材料化学中发现全新的材料。”