近日，我院高压、超硬和功能材料物理团队青年教师万彪博士，在二维电子化合物的研究方面取得重要进展，相关成果以“BaCu, a Two-dimensional Electride with Cu Anions”为题发表于国际知名期刊《Journal of the American Chemical Society》。万彪博士为论文第一作者和通讯作者，北京高压科学研究中心缑慧阳研究员为共同通讯作者。郑州大学物理学院为论文第一单位。该研究工作还得到郑州大学物理学院青年教师袁亦方、副教授张壮飞，以及上海光源李炯研究员、张硕研究员的大力支持和帮助。

电子化合物是一类特殊的离子化合物，其中的电子扮演着阴离子的角色。这些化合物展示了诸如显著的量子效应、极低的功函数以及高载流子迁移率等多种吸引人的物理特性。然而，有机电子化合物的热稳定性不佳（J. Am. Chem. Soc. 1983, 105, 6490），这极大地限制了它们的应用。2003年，日本Hosono教授的研究团队成功合成了首个室温下稳定的无机电子化合物（[Ca₂₄Al₂₈O₆₄]⁴⁺(4e^-)，Science 2011，333, 71），其在催化剂、有机发光二极管和电子启动器件等多个领域都显示出卓越的应用潜力。

二维电子化合物因其独特的物理性质而受到科学界的青睐。2013年，Hosono教授的团队进一步合成了具有反氯化镉构型和二维输运性质的层状电子化合物Ca₂N。随着对二维材料的探索兴趣日益增长，科学家们正在积极寻找新的二维电子化合物并研究它们的潜在应用。然而，由于形成条件的限制，目前已知的二维电子化合物种类非常有限，且主要基于反氯化镉结构，其中实原子阴离子通常由p区元素构成。

图1. BaCu的形貌及结构特征

图2. BaCu成键特性及XNAES表征

针对以上问题，研究团队成功合成了具有过渡金属阴离子的BaCu电子化合物，并对其结构和性能进行表征，同时诠释了其含有过渡金属阴离子的二维电子化合物的性质。这种全新的二维电子化合物不仅保留了传统二维电子化合物的优异特性，还展现出了一些独特的新性质。在结构上，相邻的Cu离子通过s-d轨道杂化形成了一个平面蜂窝状网络。理论计算和XANES测量揭示出Cu离子呈现负价态。在费米能级附近，Cu原子与邻近的Ba原子之间的相互作用产生了显著的反键特性，因而提高了价电子的能量，使得价电子能够脱离原子轨道的束缚，并在层间形成电子阴离子。物理性能测试显示，BaCu在室温下的电阻率与典型的二维电子化合物Ca₂N相似，但远低于Y₂C。与典型的二维电子化合物相比，BaCu中的电子阴离子表现出离散分布的特性，并且与周围的原子有明显的轨道杂化现象。这种独特的互动赋予了BaCu异常低的功函数。电子阴离子的轨道杂化还为BaCu带来了独特的各项同性物理特性。

该研究得到了国家自然科学基金及中国博士后面上项目的资助与支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c05723