在材料科学的前沿领域，对具有特殊电子结构的材料的探索是实现技术突破的关键之一。Ruddlesden–Popper (R–P) 型结构的层状钙钛矿材料因其在低维物理性质方面的独特性，一直受到科研人员的高度关注。这些性质在超导体、光伏、硬质陶瓷涂层、铁电材料、发光材料和永磁材料等领域展现出巨大的应用潜力。

然而，与相对丰富的R–P型氧化物和卤化物相比，R–P型氮化物的合成和稳定化一直是个难题。这一挑战的核心在于氮化物需要高氧化态的阳离子来平衡阴离子的电荷，这在常规条件下难以实现。

高压合成：解锁新材料的钥匙

近期，一项发表在《Nature Chemistry》上的研究成功利用高温高压合成技术，制备了三种新型的Ruddlesden–Popper氮化物：Pr₂ReN₄、Nd₂ReN₄ 和 Ce₂TaN₄。这些化合物的合成是通过在大腔体压机(Large Volume Press，制造商：德国-沃根瑞特 Max Voggenreiter，型号LP1000)中，使用钠叠氮化物作为活性氮源，在高达8GPa和1000摄氏度的条件下实现的。这一创新方法不仅使得通常难以捉摸的R–P型氮化物得以稳定存在，而且产物能够被回收到常压下进行进一步的研究和应用。这项工作不仅丰富了R–P型化合物的家族，也为未来探索更多具有新颖性质的氮化物材料提供了可能

原文链接：High-pressure synthesis of Ruddlesden–Popper nitrides | Nature Chemistry

结构与性质：金属性与磁性的交织

合成的氮化物展现出了多样的结构和性质。Pr₂ReN₄和Nd₂ReN₄表现出金属性，其中Nd₂ReN₄在低温下表现出铁磁性，这可能与其独特的电子结构有关。Ce₂TaN₄则表现出由八面体倾斜驱动的结构转变，伴随着局部畸变和倾斜的磁性Ce³⁺序，揭示了二维Ce³⁺/Ce⁴⁺电荷排序的相关性。这些发现不仅丰富了我们对氮化物电子和磁性行为的理解，也为设计新型磁性材料提供了新的思路。

热分解：揭示新结构的奥秘

在热分解实验中，R₂ReN₄ (R = Pr, Nd) 相转化成了具有Peierls型畸变的R₂ReN₃，其中包含Re–Re多重键二聚体链。这种结构的发现，为研究氮化物中的金属-金属键合提供了新的平台，也为理解GPa级别的高压条件下材料的热稳定性和相变行为提供了重要信息。

电子和磁性特性的深入分析

研究中对Pr₂ReN₄的电子和磁性特性进行了深入分析。通过测量其磁化率和电阻率，发现Pr₂ReN₄在低温下表现出反铁磁性行为，其磁矩远低于Pr³⁺的理论饱和值，这可能是由于晶体场效应的影响。此外，通过中子粉末衍射实验，观察到了Pr₂ReN₄在1.5 K时的反铁磁结构，其中Pr离子在ab平面内有序排列。

对于Nd₂ReN₄，其表现出明显的铁磁性行为，具有较高的居里温度（15 K）。通过磁化率测量和中子粉末衍射实验，研究人员确定了Nd₂ReN₄的磁结构，其中Nd³⁺离子在低温下沿着c轴方向呈现出铁磁有序。

Ce₂TaN₄的研究揭示了其复杂的电子结构和磁性行为。Ce₂TaN₄在高温下为顺磁性，而在低温下表现出铁磁或倾斜反铁磁序。通过中子粉末衍射实验，研究人员确定了Ce₂TaN₄的磁结构，其中Ce³⁺离子在低温下呈现出复杂的磁序。

结论与展望

这项研究不仅证明了利用大腔体压机（Large Volume Press）高温高压合成技术在制备新型Ruddlesden–Popper氮化物方面的潜力，也展示了这些材料在电子、磁性材料和能源领域应用的广阔前景。随着更多类似材料的发现和性质的探索，我们有理由相信，Ruddlesden–Popper氮化物将在未来的科技发展中扮演重要角色，为实现更高效的能量转换、更强大的电子器件和更深入的材料科学研究提供支持。