3.4　作者在该领域的学术思想和主要研究成果

本章作者提出了六元环无机材料这一新的材料体系，这类材料一直是材料科学和凝聚态物理领域的重要研究前沿，其中许多已成为材料发展史上的里程碑，有望用于构筑下一代微型、高容错和智能多功能设备，并在量子、信息、能源和环境等领域展现出巨大潜力。虽然具有六元环结构单元的材料已组成了巨大的家族，诸多材料已在它们各自的领域内成为“明星”，但是六元环结构单元在独特物理和化学特性中所起到的作用尚未得到广泛重视和挖掘，许多成员还有待发现。我们尝试总结六元环无机材料的共性，建立六元环结构单元和对应材料特性之间的关系，解析六元环无机材料特殊物理性质的共性机理，为寻找具有特殊性质的六元环无机材料家族提供启示，并探讨具有独特应用的六元环无机材料家族的设计和创制等发展方向。

为了从六元环结构的角度去认识和设计材料，并贯通不同材料间六元环结构所起的作用，我们提出了六元环无机材料的概念。其定义为一类以六元环结构为基本单元的材料，具有三重（C3）或六重（C6）旋转对称性。其所对应的块体材料是通过范德华力、离子键、金属键或共价键结合在一起，或者在二维或三维晶格中与其他原子层相互结合构成。六元环结构无机材料具有新奇的物理、化学和力学性质，将可能引发信息技术、能源技术和空间技术等领域的变革。

作者在该领域内的主要研究成果如下：

（1）发现了二维层状六元环结构MoSi₂N₄材料家族

2015年，任文才、成会明团队发明了双金属基底化学气相沉积（CVD）方法，制备出多种不同结构的非层状二维过渡金属碳化物晶体，如正交Mo₂C、六方WC和立方TaC，并发现超薄Mo₂C为二维超导体[110]。然而受表面能约束，富含表面悬键的非层状材料倾向于岛状生长，因此难以得到厚度均一的单层材料。该团队最近研究发现，在CVD生长非层状二维氮化钼的过程中，引入硅元素可以钝化其表面悬键，从而制备出一种不存在已知母体材料的全新的二维范德华层状六元环结构材料MoSi₂N₄，并获得了厘米级单层薄膜。单层MoSi₂N₄包含N-Si-N-Mo-N-Si-N 7个原子层，可以看成是由两个Si-N层夹持单层MoN（N-Mo-N）构成，其每个原子层都具有六元环结构。采用类似方法，还制备出了单层WSi₂N₄。

在此基础上，他们与陈星秋研究组和孙东明研究组合作，发现这种单层六元环结构的MoSi₂N₄具有半导体性质（带隙约1.94eV）和优于MoS₂的理论载流子迁移率，还表现出优于MoS₂等单层半导体材料的力学强度和稳定性；并通过理论计算预测出了十多种与单层MoSi₂N₄具有相同六元环结构的二维层状材料，包含不同带隙的半导体、金属和磁性半金属等[111]。

该工作不仅开拓了全新的二维层状六元环结构MoSi₂N₄材料家族，拓展了二维六元环结构材料的物性和应用，而且开辟了制备全新二维范德华层状六元环结构材料的研究方向，同时也为获得更多具有六元环结构的新型二维材料提供了新思路。

（2）发明了氧自由基氧化绿色制备氧化石墨烯的技术

2018年，任文才、成会明等提出了一种氧自由基氧化制备氧化石墨烯的新方法，打破了150多年来通过强氧化剂对石墨进行氧化的传统思路，实现了氧化石墨烯的安全、绿色、超快制备。研究还发现，氧自由基氧化制备氧化石墨烯的氧化速率比现有方法快100倍以上，而所得氧化石墨烯与现有方法制备的类似，并且易于连续化制备。该方法有效解决了氧化石墨烯制备长期面临的爆炸危险、环境污染及反应周期长等问题，有望大幅降低制备成本，有利于氧化石墨烯的工业化应用[112]。

氧化石墨烯是一种重要的具有六元环结构的石墨烯衍生物，最初主要作为宏量制备石墨烯的前驱体，由于其不同于石墨烯的诸多独特物理化学性质和广阔应用前景而越来越受到人们的重视。由于存在大量的含氧官能团，氧化石墨烯在水中具有良好的分散性，且易于组装和功能化，因此已被广泛用于制备多功能分离膜、高导高强纤维、超轻超弹性气凝胶等多种功能材料，并且在电化学储能、催化、生物医药、复合材料、散热等方面表现出良好应用前景。

（3）揭示了金属单质铍中拓扑狄拉克节线量子态及其诱发的表面电声耦合反常增强

2016年，陈星秋研究组通过第一性原理计算，在金属单质铍和镁单质中发现了拓扑狄拉克节线量子态。该类新的量子态是金属铍和镁的能带在六元环结构对称性约束下出现的连续线性交叉点，在晶格动量空间形成闭合的曲线，并在铍的（0001）表面诱发受拓扑性保护的表面态[16]。金属铍和镁的特殊表面态从20世纪80年代起就先后被国际上诸多研究团队实验观察到，并且会出现奇异的物理化学现象，但对其产生的机理并未被揭示。尽管早期研究者推测金属铍表面的特殊现象与其巨大的原子弛豫有关，但后来的研究发现这一推测与诸多实验与理论结果相矛盾，其机理依然是一个悬而未决的科学谜题。陈等的研究表明，其特殊的表面电子能带结构来源于体材料中六元环结构保护的拓扑狄拉克节线量子态，基于该认识使金属铍的诸多特殊现象得到完美的解释，解决了长久以来困扰人们的谜题。实验结果也证实了这种六元环结构诱发的拓扑非平庸表面态，为狄拉克节线量子态的存在提供了强有力的证据。

在此基础上，2019年陈星秋及合作者发现了金属铍表面的巨大电声耦合的反常增强是其块体材料中六元环结构保护的拓扑狄拉克节线量子态诱发的。因为该节线态会导致鼓膜类拓扑表面态，并且在六元环结构对称性的作用下形成了表面费米能级处的电子局域，进而诱发了巨大的电声耦合增强效应[17]。这一发现不仅澄清了长期以来广受争议的金属铍表面电声耦合反常增强的机理，同时也揭示了其他六元环结构材料中存在相似效应的可能性。