“电子晶体”加入二维材料俱乐部，比石墨烯更透明更导电

“电子晶体”（electrides），即电子充当阴离子的离子晶体。其中，阳离子规则堆砌形成空穴，电子被困在这些自然形成的空穴中。由于特殊的结构，尤其是松散的电子填充，使得“电子晶体”具有一些特殊的理化性质。比如当填充的电子不再束缚于单个的空穴之上时，便可以或多或少地在正离子的构架之间穿越。因此如果能制备出二维片层材料，将会具有金属特性和光响应性等特点。

早在2013年，东京工业大学的Hideo Hosono课题组在Nature杂志上就预测了[Ca₂N]⁺·e⁻这种材料的存在，并计算了其电子结构（Nature, 2013, 494, 336-340），但一直以来还没有一种二维电子晶体纳米材料被合成出来。近日，美国北卡罗来纳大学教堂山分校（UNC Chapel Hill）Scott C. Warren课题组在JACS杂志上发表文章，通过一种简单的剥离过程制备得到了[Ca₂N]⁺·e⁻二维层状晶体。该晶体具有一个~4 Å的层间隙，间隙中充满了高导电性的电子云，因此剥离得到的二维材料将比石墨烯更导电更透明。更为惊讶的是，这种材料可以在氮气气氛中或者1,3-二氧戊环等几种有机溶剂中能够稳定存在。

二维“电子晶体”示意图。图片来源：JACS

Scott Warren师从康奈尔大学的Ulrich Wiesner教授，博士后更是追随染料敏化太阳能电池的大牛Michael Grätzel，现在是UNC Chapel Hill化学系的助理教授。

Scott Warren灿烂的笑容。图片来源：UNC Chapel Hill

研究者先通过Ca₃N₂和金属Ca合成了块状的Ca₂N，晶体中N和Ca形成正八面体结构，每层间隔3.9 Å。通过计算层与层之间的结合能，结果表明尽管比剥离石墨要更为困难，但将Ca₂N剥离成二维材料是可以实现的。研究人员筛选了30种溶剂，然而，大多数不能用于液体剥离。例如，质子溶剂与Ca₂N会很快发生反应，形成Ca(OH)₂；氯代烷烃、醛、酮、腈甚至醚类溶剂都会使Ca₂N分解成白色粉末。最终，研究者发现1,3-二氧戊环、碳酸二甲酯和乙二醇二甲醚可以使Ca₂N溶解并保持稳定一段时间，因此这三种溶剂可以用于液相剥离。

Ca₂N结构示意图，DFT电子密度计算，结合能计算及有机溶液溶解照片。图片来源：JACS

实验表明，制备得到的纳米片层薄膜透光率可达97%，表面电阻只有4 Ω/sq，具有良好的透光性和高导电性，可以应用于透明的导电电子器件中。另外，该材料具有强还原性，也可应用在化学合成试剂或催化剂等研究领域。

二维Ca₂N的TEM照片和电子衍射图谱，图片来源：JACS

“这是一个惊人的发现，显示出了化学的力量”，东京工业大学的Hideo Hosono教授如是说。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.6b10114

Experimental Demonstration of an Electride as a 2D Material

J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16089-16094, DOI: 10.1021/jacs.6b10114

课题组官网：

http://www.chem.unc.edu/people/faculty/warren/group/index.html

部分内容编译自：

http://cen.acs.org/articles/94/i49/Electrides-join-2-D-materials.html

（本文由小希供稿）

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