2025年5月20日，北京大学材料科学与工程学院赵晓续教授，联合北京理工大学乔婧思教授、东南大学集成电路学院朱超教授等人在Matter期刊上发表了题为“Metallic Monolayer Iodinene Sheets”的研究成果。该工作开发了一种直接外延生长策略，成功攻克了合成亚稳态原子级二维碘烯（iodinene）的难题。这一策略采用温和的溶液法，实现了单层碘烯纳米片的生长。结合第一性原理计算表明，衬底诱导的超晶格限域效应和掺杂机制是稳定亚稳态褶皱碘烯的关键因素。这些机制为合成亚稳态二维材料提供了一个典范路径。论文的通讯作者是赵晓续教授、乔婧思教授和朱超教授；第一作者是罗焰博士。

与理想状态下完全平坦的石墨烯不同，单元素二维材料（Xenes）天然具有褶皱结构（buckling），从而表现出sp²-sp³杂化的混合特性。这一结构差异不仅使二维Xenes与其他材料区别开来，还对其物理和化学性质产生深远影响。因此，具有可调控电子结构和不同程度buckling的二维Xenes是基础研究和实际应用中极具前景的平台。迄今为止，科研人员已付出巨大努力以合成新型Xenes，从而扩展二维材料家族，尤其是二维碘烯（iodinene），它在拓扑电子学中展现出广阔的应用前景。然而，碘作为第七主族元素（卤素）的代表，其具有的独特物理化学性质——如低升华温度、高电负性、化学不稳定性以及较弱的共价键——给其可靠合成带来了诸多挑战。二维碘烯已在理论上被预测，并被认为是极具前景的二维拓扑材料候选者。尽管其应用潜力巨大，但目前尚未实现单原子层iodinene的实验合成，其原子尺度的结构特征也仍未明确。因此，发展一种可靠的方法以合成原子级薄度的iodinene，不仅富有挑战性，而且具有重要意义。

针对这一挑战，赵晓续团队采用了一种简单而通用的合成策略——在环境条件下进行的低温溶液法——通过外延生长的方式，在六方非金属二维模板（如石墨烯和MoS₂）上成功合成了单层iodinene薄膜。这些二维模板因其原子级平整表面、无悬挂键以及优异的化学稳定性，被选作理想的iodinene生长基底。借助扫描透射电子显微镜（STEM）与密度泛函理论（DFT）计算，揭示了二维iodinene的原子级结构特征。二维iodinene属于P3空间群，呈现出类似硅烯（silicene）的褶皱结构，其晶格常数为4.26 Å，明显区别于其块体形式（空间群Cmca）。观察到的共格超晶格结构表现出极小的晶格失配，表明底部六方结构的二维基底为起伏的iodinene晶格提供了界面应变和电荷转移，从而有效稳定了其亚稳态结构。DFT计算结果表明，iodinene 展现出内禀的平带电子结构，这与silicene和锡烯（stanene）所具有的狄拉克锥特性截然不同。其在费米能级附近明显的能带局域化增强了电子关联效应，有望在掺杂调控下实现强关联现象，如局域磁有序和关联绝缘态等。除了基本的原子结构外，所生长的少层iodinene薄膜还呈现出独特的重构边缘结构以及丰富的堆垛多型。

图1：在MoS₂上模板法外延生长单层碘烯。

图2：石墨烯衬底上碘烯的原子级结构。

图3：石墨烯衬底上单层碘烯的电子结构。

图4：多层碘烯中的原子边缘和堆叠多型。

综上所述，全新的模板引导策略不仅扩展了二维Xene材料家族，也为其他亚稳态二维材料的可靠合成开辟了新途径，促进了对新型二维Xene中奇异拓扑现象的探索。尽管二维iodinene为丰富二维量子态研究平台提供了新视角，但仍需进一步研究，例如开发有效的封装或功能化策略以解决其在空气中稳定性问题，并通过调控buckling结构实现可调带隙，从而实现其在实际器件中的应用。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102157