氮化镓等金属氮化物首次进入“纳米时代”

由芝加哥大学化学系与分子工程学院 Ernest DeWitt Burton 杰出服务教授、阿贡国家实验室科学家 Dmitri Talapin 领衔的团队，首次成功将金属氮化物 —— 包括氮化镓（GaN）、氮化钛（TiN）、氮化铌（NbN）等 —— 制备为胶体纳米晶体。

纳米晶体是尺寸极小（数百万乃至数十亿个晶体方可铺满指甲盖）的微观晶体。在这一尺度下，材料往往表现出与宏观状态截然不同的物理化学特性，例如产生明亮发光或显著增强化学反应活性。2023 年诺贝尔化学奖即授予了量子点的发现与合成领域，而量子点正是纳米晶体的一种重要类型。然而，长期以来，科学家仅能从有限的材料种类中制备纳米晶体。

研究团队的破解之道分为两步。首先，他们基于此前的发现，采用熔融无机盐替代传统有机溶剂作为反应介质。随后，通过大量实验找到了温度和氨气压力的最佳组合 —— 一个使金属-氮键能够更频繁地断裂与重组的“甜蜜点”。

以三氯化钒与氨在 500°C 下的反应为例，当氨气压力仅为 0.1 兆帕时，产物为烧结团聚的颗粒粉末；当压力升至 2.0 兆帕时，则形成了分散良好、形状规整的单分散纳米晶体。密度泛函理论计算与从头算分子动力学模拟表明，氨分子（NH₃）和亚氨根离子（NH₂⁻）在纳米晶体表面吸附形成富氮壳层，并诱导熔盐离子有序排列，从而有效阻止了颗粒的聚集。

Talapin 教授坦言：“这一过程非常不寻常 —— 它违背了该领域的所有常识。我们不得不彻底重构思路。”借助这一方法，团队成功合成了 TiN、VN、GaN、NbN、Mo₂N、Ta₃N₅、TaN、W₂N 以及三元 Ti₁₋xVxN 等近十种金属氮化物胶体纳米晶体。

将这类材料制成纳米晶体，其应用前景将不再局限于传统的刚性薄膜。未来，它们有望与聚合物混合、通过喷墨打印方式制造、甚至集成到织物或其他柔性电子设备中。