近日，北京理工大学前沿交叉科学院陈亚彬教授、毕天格助理教授与爆炸科学与安全防护全国重点实验室张建国教授团队开展紧密合作，在亚稳态六方金刚石/氮化硼共价异质结的高温高压可控构筑方面取得重要研究进展，相关研究成果以“Controlled Synthesis and Interfacial Bonding of Hexagonal Diamond/Wurtzite Boron Nitride Covalent Heterostructures”为题发表在国际知名学术期刊《Advanced Materials》上，论文第一作者为北京理工大学化学与化工学院硕士毕业生白露。

通过在不同功能材料之间构筑化学界面，异质结可突破单一材料本征性能的限制。金刚石与氮化硼均为典型的轻元素超宽禁带材料，并分别具有立方（CD，cBN）和六方（HD，wBN）相结构。其中，HD和wBN均属于难以在常压下稳定获得的亚稳sp3相，将二者同步稳定并构筑原子级共价界面一直面临显著挑战。此前，相关研究主要集中于CD/cBN体系，而HD/wBN异质结构的可控合成条件、界面原子结构及化学成键机制仍缺乏系统认识。

针对上述问题，研究团队提出了“预组装范德华界面—高温高压协同相变—原位形成共价界面”的制备策略。如图1所示，研究团队将HG/hBN异质结构置于激光加热金刚石对顶砧中，通过高压压缩和激光加热，使碳层与氮化硼层同步发生由sp2结构向sp3结构的转变。在25.2 GPa和1773 K条件下处理后，样品原始异质结构的整体形貌在卸压过程中得到较好保留，厚度明显减小。拉曼光谱结果进一步显示，高温高压处理后石墨的G峰消失，并出现六方金刚石的特征振动峰；与此同时，氮化硼区域出现纤锌矿氮化硼的特征振动模式。HD/wBN重叠区域的拉曼光谱同时包含HD和wBN的特征信号，证实原始HG/hBN异质结已协同转化为HD/wBN异质结。

图1. HG/hBN范德华异质结构在高温高压下协同转变为HD/wBN共价异质结构的制备流程及代表性表征

研究团队进一步将研究重点转向HD/wBN异质界面的原子结构和化学成键方式。如图2所示，HD与wBN之间形成了连续、清晰的异质界面。界面两侧的晶体结构在较大范围内保持连续，未观察到周期性分布的失配位错。HD的（100）晶面与wBN的（002）晶面相互平行，HD/wBN异质界面上同时存在C-B键和C-N键。wBN内部存在反演畴界，该结构缺陷能够 改变局部B、N原子的排列顺序及晶体极性，从而使碳原子在不同界面区域分别与B原子或N原子相连接。不同于部分传统CD/cBN异质界面主要由单一类型化学键主导，HD/wBN界面具有C-B/C-N混合成键特征，形成了更加丰富的局部化学环境，为进一步调控界面电子结构和声子耦合提供了新的结构基础。

图2 HD/wBN异质界面的原子结构、晶体取向及C-B、C-N两类界面共价键

为明确不同金刚石/氮化硼共价异质结构的形成规律，研究团队进一步统计了多个样品的压力、温度和相组成，绘制了系统的压力-温度相图，如图3所示。结果表明，HD/wBN异质结构主要形成于高压、相对较低温度的受限区域；HD/cBN异质结构对应中间温度窗口；CD/cBN异质结构则需要更高温度。由于立方金刚石与纤锌矿氮化硼所需的相变温区缺乏有效重叠，实验中未获得CD/wBN异质结构。该结果建立了通过调控压力和温度选择性构筑不同金刚石/氮化硼共价异质结的实验路线。

图3 不同金刚石/氮化硼共价异质结构的结构类型及压力-温度合成区间

该研究成果不仅建立了将预组装范德华界面转化为原子级共价界面的实验框架，也为其他亚稳态共价异质结构的设计与制备提供了新的研究思路。该工作得到了国家自然科学基金等项目的资助，并获得日本国立材料科学研究所等合作单位的技术支持。

论文详情：L. Bai, J. Li, J. Ming, et al. “ Controlled Synthesis and Interfacial Bonding of Hexagonal Diamond/Wurtzite Boron Nitride Covalent Heterostructures.” Advanced Materials (2026): e74216.

原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.74216