Ca2N电子化合物压力诱导的金属到半导体转变

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通常情况下，材料受到压缩时电子能带结构会发生强烈相互作用，从而诱导绝缘体或者半导体向金属态发生转变。然而，也有一些非常规的物理现象，比如单质碱金属和碱土金属（如Li、Na、Ca等）在极高的压力下会转变为半导体或者绝缘体。这类高压下反常的电子结构演变—压力诱导的金属到半导体或者绝缘体转变一直是物理和材料领域的研究热点。

最近，北京高压科学研究中心缑慧阳研究员所在的研究团队和日本东京工业大学的Hideo Hosono教授团队合作利用原位高压技术和理论计算，在二维电子化合物Ca₂N中同样发现了压力诱导金属向半导体转变的现象。该项研究不仅仅揭示了电子化合物Ca₂N在高压下的结构和电学性能演变，也为合成新的电子化合物提供了思路。相关结果发表于近期的《AdvancedScience》上。

离子化合物是由带正电的阳离子和带负电的阴离子组成的，如大家所熟知的NaCl。电子化合物是一类特殊的离子化合物，其中阴离子是过剩的价电子。松散结合的电子阴离子不依附任何原子和基团。此类化合物特殊的电子行为，使电子化合物在催化、电池和电子领域有着潜在的较大的应用前景。特别是2003年空气中稳定的零维无机电子化合物C12A7的发现引发了电子化合物的研究热潮，内容包括新型电子化合物的合成、理解电子化合物的物理化学性能以及电子化合物的应用开发。“而对于电子化合物中特殊的阴离子在高压下的行为和演变则是我们关注的焦点”，缑慧阳研究员提到。

该团队使用高压原位同步辐射X射线衍射及电阻测量技术并结合理论计算对二维Ca₂N在高压下的晶体及电子结构的演变进行了系统研究。他们发现高压下的Ca₂N会出现三种新的晶体结构，晶体结构的转变同时伴随着N原子配位数的增加。同时高压下的原位电阻测量表明,常压下金属态的Ca₂N随着压力增加（0-10 GPa），其电阻缓慢增加，在10-20 GPa之间发生电阻急剧增加。在压力为大约20 GPa时，电阻上升到了300 Ω。这意味着压力诱导Ca₂N从金属到半导体的转变。

为了理解高压下Ca₂N结构和电学性能演变的关联性，该研究团队对不同结构的Ca₂N电子局域状态进行了理论计算。在常压相的晶体结构中，阴离子电子是松散分部在[Ca₂N]⁺层之间，呈现二维分布。计算表明随着压力的增加，高压相结构中电子阴离子的分布转变成为一维。随着压力的进一步增加，阴离子电子被完全分离开，局域在零维的笼子里。这种高压下阴离子局域化的重新分布导致了半导体特性的出现。

该项工作是和日本东京工业大学Hosono教授研究团队合作完成，原位同步辐射X射线衍射是在阿贡国家实验室先进光源13-BMC线站完成，原位电阻测试是在北京高压科学研究中心完成。该研究得到了国家自然科学基金（U1530402）和青年千人计划等基金的支持。

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