研究部在高能量密度材料黑磷氮的常压稳定性研究方面取得新进展

（作者：陈果） 

        中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所计算物理与量子材料研究部王贤龙研究员团队基于第一性原理计算方法，发现磷掺杂是实现高含能黑磷氮在常压稳定的有效方法，并系统阐明了N-P偶极子分布、掺杂浓度和均匀度与稳定性的构效关系。相关结果以letter 形式发表在Matter and Radiation at Extremes (Matter Radiat. Extrem. 10, 015801 (2025))上。

        以具有类金刚石结构的立方偏转聚合氮（cg-N，金刚氮）和具有黑磷结构的黑磷氮（BP-N）为代表的全氮聚合材料是一类完全由氮氮单键构成的高能量密度材料，但是高压条件下合成的样品在常压下不能保存，这是该领域面临的重要挑战之一。

        团队自2020年起研究全氮聚合材料在低压下的失稳机制和常压稳定方法，发现表面解离是导致低压下cg-N失稳的原因，并提出了常压稳定方案(Chinese Phys. Lett. 40, 086102 (2023))。在此基础上，团队成功实现了常压下cg-N的合成和热分解表征及爆轰性能测量(Sci. Adv. 10, eadq5299 (2024))，进一步开发出目前最简单和高效的一步合成法(Chinese Phys. B. 33, 126802 (2024)), 并申请了发明专利。

        近日，研究人员发现BP-N的低压失稳机制与cg-N不同，BP-N体相会分解成氮链。而P原子掺杂可以抑制BP-N的体相分解，并将BP-N稳定至0 GPa，通过N-P偶极子相互作用实现了动力学稳定性。此外，研究人员计算了BP-N的最佳掺杂浓度和爆轰性能。该研究结果将为推动BP-N的常压合成和宏量制备提供重要参考。

        固体物理所博士生陈果为该文章的第一作者，王贤龙研究员为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和合肥物质院院长基金的资助。相关计算工作主要在中国科学院超级计算合肥分中心和合肥先算中心上进行。

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

图1. 12.5% P原子掺杂结构，声子谱和能量。(a) 最低能量的构型和 (b) 动力学不稳定的构型和及其相应的声子色散关系；黑色箭头指示了声子谱Z点虚频振动的方向。用橙色波浪线连接的带正负电荷的原子间形成N-P偶极矩。(c) 能量随层间P-P距离变化的关系图。

图2. 12.5%和25% P原子掺杂BP-N的密度ρ、能量密度Ed、体积能量密度Ev、爆速Vd和爆压Pd。