一种通过压力-电子转移耦合实现的金-硼共价框架,该框架具有可调的电子特性和超导性能

【字体: 时间:2026年02月13日 来源:ACTA MATERIALIA 9.3

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  金属-硼框架材料通过压力-电子转移耦合策略实现Au-B网络构建与超导调控。研究发现立方Ca2AuB6相在高压下形成稳定的三维Au-B骨架,金原子通过d2sp3杂化形成六个强σ键,协同Ca2+电荷转移与高压增强的Au-B共价性,使材料在常压下仍保持结构稳定。该框架可兼容多种电子供体阴离子,通过调节电子密度实现从半导体到超导态的多重物态转换。

  
韩帅|张晓华|杨国春
中国秦皇岛燕山大学理学院,亚稳态材料科学技术国家重点实验室与河北微观结构材料物理重点实验室,066004

摘要

开发具有可控结构和组成的框架材料对于提升其功能多样性至关重要。然而,实现热力学上不稳定的网络或包含非传统电子元素的体系仍然是一个重大挑战。在此,我们提出了一种压力-电子转移耦合策略,能够在立方Ca2AuB6中形成稳定的Au-B网络,该相在减压后变得不稳定。在这种方法中,正电性阳离子增加了硼缺陷骨架的电子数,并促进了Au 6p态的部分填充,而外部压力则重新排列了轨道能量并增强了Au–B的共价性,共同稳定了Au上的非传统d2sp3构型,从而牢固地锁定了三维结构。作为可调电子材料的多功能设计模板,Au-B框架能够容纳多种电子供体阳离子,因此表现出从以键合为主到耐反键合以及具有杂化协同效应的金属态,从而显著调节了超导性。这些发现为设计贵金属共价材料提供了一个可推广的范例,并提供了关于键合形成、亚稳态和可调超导性的机制洞察。

引言

2025年诺贝尔化学奖表彰了金属有机框架的合理设计与功能化,突显了框架化学在各个学科中的广泛重要性[[1], [2], [3], [4]]。框架材料,包括有机[[5], [6], [7]]、杂化[[8], [9], [10]]和无机[[11], [12], [13]]系统,长期以来一直受到化学、物理和材料科学的持续关注。这些多维结构由原子节点或配体单元通过共价或配位键构建,通常具有开放的通道或腔体,为客体物种提供结构支持和可调节的局部环境[[14], [15], [16]]。这种拓扑灵活性与功能适应性的独特结合使得它们在气体存储[17,18]、催化[19,20]、能量转换[21,22]、机械增强[23,24]和超导[25,26]等领域有广泛的应用。总体而言,从分子配位网络发展到完全无机的框架,突显了框架化学作为设计具有可编程性质材料的统一范式的作用。
在这些系统中,三维无机共价框架(3D-ICFs)因其出色的刚性、电子可调性和化学韧性而脱颖而出[[27], [28], [29]]。大多数传统的3D-ICFs由B、C和N等轻元素通过强共价键连接而成,金属原子位于由此形成的孔隙或通道中[[30], [31], [32], [33]]。这些金属不仅稳定了框架并补偿了电荷,还作为可调中心调节电子结构和新兴功能。SrB3C3是一个典型的例子[[11,34]],它具有sp3键合的双部分B-C笼子,可以容纳不同价态的金属阳离子:三价金属(La、Y、Sc)表现出半导体行为[[35], [36], [37]],单价或二价金属诱导金属性或超导性[[38,39]],而稀土金属(Ce、Sm)则产生重费米子特性[[40]]。这些案例展示了如何通过刚性的共价骨架与成分灵活性相结合来实现多种物理现象。
富含金属的硼化物是一类互补的3D-ICFs,其中金属原子向硼亚晶格的广泛电子转移调节了B–B键合,使得多中心框架成为可能[[41], [42], [43]]。在立方MB6(M?=?Na、K、Ca、Sr、Ba)中,电子捐赠稳定了顶点连接的B6八面体,促进了半导体、金属和超导态之间的转变[[44], [45], [46]]。高压进一步丰富了这种结构和电子多样性,例如LaB8,其中共价B笼子框架通过金属介导的电荷补偿和空间支撑得到稳定,从而表现出显著的机械强度和超导性[[47]]。这些观察结果强调了金属-硼相互作用在控制框架稳定性、电荷分布和新兴性质中的关键作用。
黄金为扩展无机框架的设计空间提供了特别有吸引力的机会。金中的相对论效应导致6s轨道收缩和5d轨道膨胀[[48], [49], [50], [51], [52]],提供了卓越的键合灵活性[[53,54]]、广泛的氧化态(?3至+5)[[55], [56], [57]]以及高度定向的轨道杂化[[58,59]]。这些特性使金能够结合金属键合和共价键合,尽管存在分子级的Au-B簇和配体保护的复合物[[64], [65], [66]],但在固体中实现扩展的Au-B框架仍然具有挑战性[[60], [61], [62], [63]]。将金引入3D-ICFs可能会带来多种好处:增强共价性和强的Au-B电子耦合,在高压下稳定富硼框架,实现可调的电子结构,并通过重元素电子态与轻元素晶格动态的相互作用产生有趣的超导性。因此,金成为构建结合刚性和量子适应性的下一代无机框架的有希望的元素。
基于这些见解,在高压下合理设计无机共价结构为新型功能固体提供了一条有前景但尚未充分探索的途径。压缩改变了配位环境,增强了轨道重叠,并克服了动力学障碍,从而能够在常温条件下无法实现的网络稳定化[[47],[67],[68],[69]]。当压力驱动的共价性与异金属阳离子的电子捐赠相结合时,可以精确调节键合拓扑和电子景观,为构建密集且成分灵活的材料提供可控的途径。
在这里,我们介绍了一种压力-电子转移策略来获得稳定的Au-B共价网络。基于这一概念,全局结构搜索预测了一种先前未报道的立方Ca2AuB6相,其特征是由角连接的AuB6八面体形成的三维Au-B骨架。其稳定性源于Ca2+→(Au-B)的电荷转移和压力增强的Au–B共价性,这两者共同促进了Au上的非传统d2sp3杂化。这种构型支持与周围B原子的六个方向的σ键,这种配位环境在含金的扩展固体中是前所未有的,表现出各向同性的三维键合。Au-B框架作为一种通用的电子接受骨架,能够容纳多种电子供体阳离子,形成M2AuB6(M?=?Li、Na、Mg、Sc、Y)系列相。这些类似物表现出由电子数控制的金属态和由Au–B衍生的电子态及振动模式引起的超导性,突显了框架作为决定新兴性质的主要因素。

计算细节

使用Crystal structure AnaLYsis Particle Swarm Optimization (CALYPSO)代码[[70], [71], [72]]对CaxAuyBzx?=?1-3; y?=?1; z?=?1-8)化合物在100 GPa下的结构进行了预测,该代码在过去十年中被广泛且成功地用于预测新化合物和揭示复杂晶体结构[[73], [74], [75]]。结构松弛和电子性质计算是在密度泛函理论(DFT)框架内进行的。

结果与讨论

为了获得以前无法实现的3D-ICFs,我们在硼基质中采用了压力-电子转移策略。在这种方法中,故意整合了具有互补电子角色的元素:电负性与B相近的金形成了定向的Au–B共价键,构成了结构骨架,而电子供体Ca为电子缺乏的晶格提供电荷,并在压缩下增强了网络稳定性。

结论

总之,我们展示了一种压力-电子转移策略,用于设计一类新型的3D-ICFs,以立方M2AuB6(M?=?Li、Na、Mg、Ca、Sc、Y)化合物为例。电子供体阳离子与定向Au–B共价键的结合产生了一个通过协同离子和共价相互作用稳定的坚固扩展网络。金积极参与d2sp3杂化,既作为共价节点又作为电子中介——这是一个前所未有的角色。

致谢

本研究得到了中国自然科学基金(项目编号22372142、12304028、12404027和U23A20537)、外国专家引进计划(G2023003004L)、中央引导地方科技发展基金项目(236Z7605G)、河北省自然科学基金(项目编号B2024203051、A2024203023、A2024203002和A2025203027)、河北省教育厅科技项目(项目编号JZX2023020)以及创新项目的支持。

CRediT作者贡献声明

韩帅:撰写——原始草稿、可视化、研究、形式分析、数据管理。张晓华:撰写——审阅与编辑、验证。杨国春:撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、概念化。
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