中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所王賢龍研究員團(tuán)隊(duì)基于第一性原理計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)磷摻雜是實(shí)現(xiàn)高含能黑磷氮在常壓穩(wěn)定的有效方法，并系統(tǒng)闡明了N-P偶極子分布、摻雜濃度和均勻度與穩(wěn)定性的構(gòu)效關(guān)系。相關(guān)結(jié)果以letter 形式發(fā)表在Matter and Radiation at Extremes (Matter Radiat. Extrem. 10, 015801 (2025))上.

以具有類金剛石結(jié)構(gòu)的立方偏轉(zhuǎn)聚合氮（cg-N，金剛氮）和具有黑磷結(jié)構(gòu)的黑磷氮（BP-N）為代表的全氮聚合材料是一類完全由氮氮單鍵構(gòu)成的高能量密度材料，但是高壓條件下合成的樣品在常壓下不能保存，這是該領(lǐng)域面臨的重要挑戰(zhàn)之一。

團(tuán)隊(duì)自2020年起研究全氮聚合材料在低壓下的失穩(wěn)機(jī)制和常壓穩(wěn)定方法，發(fā)現(xiàn)表面解離是導(dǎo)致低壓下cg-N失穩(wěn)的原因，并提出了常壓穩(wěn)定方案(Chinese Phys. Lett. 40, 086102 (2023))。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了常壓下cg-N的合成和熱分解表征及爆轟性能測量(Sci. Adv. 10, eadq5299 (2024))，進(jìn)一步開發(fā)出目前最簡單和高效的一步合成法(Chinese Phys. B. 33, 126802 (2024)), 并申請了發(fā)明專利。

近日，研究人員發(fā)現(xiàn)BP-N的低壓失穩(wěn)機(jī)制與cg-N不同，BP-N體相會(huì)分解成氮鏈。而P原子摻雜可以抑制BP-N的體相分解，并將BP-N穩(wěn)定至0 GPa，通過N-P偶極子相互作用實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。此外，研究人員計(jì)算了BP-N的最佳摻雜濃度和爆轟性能。該研究結(jié)果將為推動(dòng)BP-N的常壓合成和宏量制備提供重要參考。

固體物理所博士生陳果為該文章的第一作者，王賢龍研究員為通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和合肥物質(zhì)院院長基金的資助。相關(guān)計(jì)算工作主要在中國科學(xué)院超級計(jì)算合肥分中心和合肥先算中心上進(jìn)行。

論文鏈接：https://pubs.aip.org/aip/mre/article/10/1/015801/3328937/Realized-stable-BP-N-at-ambient-pressure-by?searchresult=1

圖1. 12.5% P原子摻雜結(jié)構(gòu)，聲子譜和能量。(a) 最低能量的構(gòu)型和 (b) 動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定的構(gòu)型和及其相應(yīng)的聲子色散關(guān)系；黑色箭頭指示了聲子譜Z點(diǎn)虛頻振動(dòng)的方向。用橙色波浪線連接的帶正負(fù)電荷的原子間形成N-P偶極矩。(c) 能量隨層間P-P距離變化的關(guān)系圖。

圖2. 12.5%和25% P原子摻雜BP-N的密度ρ、能量密度Ed、體積能量密度Ev、爆速Vd和爆壓Pd。