【供稿：物理学院】近日，在吉林大学唐敖庆讲座教授、宁波大学崔田教授指导下，吉林大学黄晓丽教授和南京大学孙建教授等人，在高压金属富氮化合物研究方面取得新的进展。研究成果以“All-Single Bonds Fused N18 Macro-Rings and N8 Cagelike Building Blocks Stabilized in Lanthanum Supernitrides”为题，发表在J. Am. Chem. Soc.杂志上（https://doi.org/10.1021/jacs.4c07955），并被选为封面文章。
富氢化合物因具有高温超导电性，成为目前凝聚态物理体系关注的热点体系。前期的研究表明，固态氢和固态氮均属于双原子小分子固体，在高压下呈现了相似的结构和金属化转变趋势。目前高压下发现的二元超导体立方相LaH₁₀具有最高的超导转变温度，在这个结构中32个氢原子形成了氢笼构型。那么将氢原子替换为氮原子是否具有类似的构型呢？聚合氮近些年来被评为最具有潜力的高能量密度材料，其在作为爆炸物和推进剂等领域均具有一定的应用价值。而金属原子的引入会显著调控聚合氮的结构，使其呈现出不同的聚合构型，从而具有奇特的性质。
该团队通过将金属镧和氮气在金刚石对顶砧中加压到110GPa，并施加2000K的温度后，成功获得了两种具有特殊聚合结构的镧超氮化物LaN₈。利用MAGUS软件理论预测和同步辐射X射线衍射测量，结果显示两种化合物分别具有P4/n和R-3空间群。聚合氮在其中分别以类笼型N₈结构单元和融合N₁₈大环的形态存在。类笼型N₈结构在前人的实验中从未被报道过，是一种新颖的聚合氮构型。随后，团队对这两种新型聚合氮结构内部氮氮键长进行统计，发现其键长均处于单键区间。平均键长的统计结果显示，P4/n-LaN₈具有超过所有已知氮化物的平均键长，这表示其具有作为新型高含能材料的应用潜力。
高温高压合成所面临的最大难题就是目标产物的纯度。未反应的样品会大大增加结构解析的难度。我们为了获得较为纯净的样品信号，自主研发了磁控溅射法用来装载金属样品。此法可以大大降低样品的厚度，从而使高压反应更加完全，更有利于获得更高纯度的产物。借助于欧洲同步辐射光源的微纳光斑，并结合理论预测软件MAGUS，最终成功确定了两个高压相的晶体结构。

图：高温高压技术制备两种新型镧氮化合物。
文章第一作者为吉林大学博士研究生张昱晨和南京大学博士后丁驰，通讯作者为吉林大学黄晓丽教授、南京大学孙建教授和宁波大学崔田教授。该研究获得了国家重点研发计划青年科学家项目及国家自然科学基金面上项目的资助支持，同时也得到了上海同步辐射光源BL15U1线站及欧洲同步辐射ID27线站的大力支持。
论文全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c07955