突破三十年瓶颈，美国科研机构攻克金属氮化物纳米晶体合成难题
7月21日消息，国际顶级学术期刊《自然》近日刊发了一项材料学重磅突破：美国芝加哥大学与阿贡国家实验室团队成功攻克了金属氮化物纳米晶体合成的世界性难题。由Dmitri Talapin教授领衔的研究团队，首次将氮化镓（GaN）、氮化钛（TiN）、氮化铌（NbN）等关键材料制备成胶体纳米晶体，打破了该领域长达三十年的沉寂。
纳米晶体是指在纳米尺度下表现出独特物理化学特性的微观晶体。2023年诺贝尔化学奖便授予了量子点（纳米晶体的一种）的发现与合成领域。然而，长期以来，科学家仅能利用有限的材料种类制备纳米晶体，金属氮化物便是其中之一。
首次用氮化镓制造出的纳米晶体 图源：芝加哥大学
金属氮化物是现代工业的基石，其兼具高硬度、耐热、耐腐蚀及生物相容性，广泛应用于LED照明、医疗植入物及超导材料等领域。但其极高的稳定性也成了合成的“拦路虎”。
“晶体生长时，离子需要像舞伴一样不断交换位置，但金属氮化物内部的化学键极其牢固，就像跳探戈时极难更换舞伴。”Talapin教授形象地比喻道。由于金属-氮键过于稳定，传统溶剂无法提供足够的能量打断化学键进行重组，导致产物往往是一堆无用的烧结粉末，而非规整的纳米晶体。
该研究团队颠覆了传统合成路径。他们摒弃了常规有机溶剂，转而采用熔融无机盐作为反应介质，并将反应温度提升至500℃。最关键的一步在于精准调控氨气压力。
实验数据显示，在三氯化钒反应中，0.1兆帕的低压下产物是团聚颗粒；而当压力提升至2.0兆帕时，奇迹发生了——反应体系成功生长出分散良好、形态均一的纳米晶体。理论计算证实，高压氨气在晶体表面构建了富氮保护层，有效抑制了颗粒团聚。
借助这一通用型合成方法，团队不仅造出了氮化镓纳米晶体，还成功制备出包括TiN、VN、NbN、Mo₂N等在内的近十种金属氮化物胶体纳米晶体。这项成果最深远的影响在于，它使原本只能生长在刚性晶圆上的氮化镓等材料，具备了“溶液可加工性”。
这一突破的意义远不止于实验室，其研究的突破点与应用价值体现在：
一是合成技术突破：传统有机溶剂温度低于400℃，不足以打破坚固的金属-氮键。该团队引入了加压熔融无机盐介质，在约500℃及特定氨气压力下，成功让材料成核并生长为规整的纳米晶体。
二是潜在应用前景：此项成果使氮化镓等材料具备了溶液加工性，将极大推动下一代印刷电子、柔性照明、显示技术以及生物医疗植入物的研发。
