二维金属氢化物大家族

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二维材料的研究兴起于单层石墨—石墨烯的成功分离，并迅速扩展到六方氮化硼、过渡金属插层化合物、黑磷等具有天然层状结构的材料。近来的高通量计算更是鉴定出1800多种天然层状材料可用于剥离出二维材料，形成了数目庞大，功能各异的二维材料大家族。

近年来，人们陆续发现非层状晶体材料也可形成二维材料。例如，硅烯、锗烯、硼烯等先后被成功合成，而体块硅、锗和硼的晶格结构却不具有层状特征。这类二维材料被称为人造（synthetic）二维材料。人造二维材料的晶格结构不受体相结构的限制且可灵活配比元素，因此能呈现更丰富的性质。然而，人造二维材料常呈现较强的层间结合力，而且通常紧密粘附于衬底上，限制了它们进一步的研究和应用。另一方面，氢是宇宙中含量最丰富、地球上含量第三丰富的元素，并且与金属之间存在多种成键方式。金属氢化物数量巨大、种类繁多、应用广泛，但二维金属氢化物的研究却鲜有报道。

最近，南京航空航天大学机械结构力学纳米科学研究所团队通过高通量计算与第一性原理计算相结合的方法，理论预测了一大类全新的二维金属氢化物材料。该团队以多种常见二维材料结构为原型，通过替换元素、计算层间相互作用和声子谱的方法，最终发现110种二维金属氢化物具有类似范德华的弱层间相互作用以及良好的热力学和动力学稳定性。在这些二维金属氢化物中，氢与金属间形成丰富的多中心化学键，有效钝化了材料表面。因此，这类二维材料相对稳定，不易与周围环境发生化学反应，有利于实验的制备与转移。

这110种二维金属氢化物几乎遍布于元素周期表中的所有过渡金属元素，并展现出丰富多样的晶格结构。最为特别的是，同一种金属可与氢形成结构和组分各不相同的二维结构，进一步说明金属与氢之间成键的灵活性与独特性。这类二维材料的厚度可从三个原子层到六个原子层间变化。机械加载模拟发现氢与金属成键作用较强，证明它们良好的机械稳定性。

更为重要的是这类二维金属氢化物材料喜人的性质，其涵盖了从金属到宽带隙半导体间几乎所有的电子性质。这110种材料中，还包含21种半导体材料，其中7种属于反铁磁半导体，并具有较高的载流子运动速率，有望用于制造半导体器件。在金属性材料中，有14种铁磁金属性材料，甚至有少量铁磁半金属材料，可作为自旋滤波器应用于自旋电子器件。

值得注意的是，研究者还在这类二维材料中发现了多类对称性保护的拓扑材料，包括狄拉克锥半金属材料, 节环（nodal-loop）半金属以及拓扑绝缘体。这些二维材料更复杂的拓扑性质值得继续深入研究。

该项成果促进了人造二维材料的发展，并为实验合成二维金属氢化物提供了理论参考。这类材料是二维材料家族崭新的成员，值得实验与理论的进一步深入研究。例如，未来可通过这类二维材料设计异质结构以实现更丰富的性能。

相关论文在线发表于《美国化学会志》Journal of the American Chemical Society。周晓成博士生与杭阳博士生为论文的共同第一作者，张助华教授和郭万林院士为论文的通讯作者，共同作者还包括刘立仁博士。

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