7月21日，國際頂級學術期刊《自然》發表了芝加哥大學與阿貢國家實驗室的一項研究成果。科研團隊首次成功將多種金屬氮化物材料制備為膠體納米晶體，包括氮化鎵（GaN）、氮化鈦（TiN）、氮化鈮（NbN）等。這項突破解決了金屬氮化物長期以來難以納米化制備的難題。
納米晶體是尺寸在納米尺度的微型晶體結構。當材料縮小到這一尺度，其光學響應、化學活性以及量子效應往往會發生顯著變化，表現出與傳統塊體材料不同的特性。
但問題是，能夠實現納米晶體化制備的材料種類一直有限。很多材料雖然性能優異，但受限于合成工藝，始終無法進入納米尺度應用領域。金屬氮化物便是其中之一。
金屬氮化物是一類由金屬元素和氮元素組成的化合物，具有高硬度、高熱穩定性、耐腐蝕以及良好的電學性能。其中，氮化鎵是第三代半導體核心材料，已在LED照明、顯示設備和功率電子器件中廣泛應用；氮化鈦憑借耐磨性和生物相容性，用于醫療植入物和硬質涂層；氮化鈮則是重要的超導材料，在超導電子和量子器件領域有應用潛力。
不過，性能優異與易于加工之間往往存在矛盾。金屬氮化物內部金屬-氮之間形成的化學鍵非常穩定，晶體生長過程中原子難以重新排列，導致研究人員很難像制備傳統量子點那樣對其納米尺度的形成進行精準控制。
芝加哥大學Dmitri V. Talapin教授團隊提出了一種新策略。他們沒有采用傳統有機溶劑體系，而是利用熔融無機鹽作為反應介質，為納米晶體生長提供高溫穩定的液相環境。通過大量實驗，團隊找到了溫度與氨氣壓力之間的最佳組合，使化學鍵能夠更頻繁地斷裂和重組，從而實現晶體結構的可控生長。
研究顯示，氨氣壓力對產物形態具有決定性影響。以三氯化釩與氨氣反應制備氮化物為例，在500°C條件下，氨氣壓力僅為0.1兆帕時，得到的是嚴重團聚的顆粒粉末；壓力提高至2.0兆帕時，則能獲得分散性良好、尺寸均一的單分散納米晶體。
圖1. 氨氣壓力對熔融無機鹽中合成的金屬氮化物形貌的影響。
通過密度泛函理論計算和分子動力學模擬，研究人員進一步揭示了其作用機制：氨分子和亞氨根離子吸附在納米晶體表面，形成富氮層，同時誘導熔鹽中的離子有序排列，有效阻止納米顆粒之間的團聚。
圖2. 熔融無機鹽中合成的膠體金屬氮化物納米晶。
圖3. 氮化物納米晶在熔融鹽中的膠體穩定化。
基于這一方法，研究團隊成功制備了TiN、VN、GaN、NbN、Mo?N、Ta?N?、TaN、W?N以及三元氮化物Ti???V?N等近十種金屬氮化物膠體納米晶體。
該研究在四個層面具有較為重要的意義。其一，首次建立了通用合成路線，突破了有機溶劑的溫度上限，填補了氮化物液相可加工制備的空白。其二，闡明了氨氣壓力調控成核動力學、表面吸附和膠體穩定性的完整機制，揭示了NH??表面修飾與熔融鹽離子層協同防團聚的界面規律。其三，GaN量子點實現了紫外帶邊發光，TiN和VN具備生物窗口等離激元效應，NbN表現出超導特性，同時這也是目前最均勻、比表面積最大的金屬氮化物納米顆粒合成方法。其四，熔融鹽加高壓氣氛的膠體合成思路，有望延伸至碳化物、硼化物、金剛石等其他強共價鍵納米晶體系。
圖4. 膠體氮化物納米晶的發射與等離激元特性。
膠體納米晶體可以分散于溶液中，因此未來可與聚合物材料結合，通過噴墨打印等低成本制造方式加工，用于柔性電子器件的規?；a。
具體而言，GaN納米晶體有望拓展柔性照明和新型顯示應用；TiN納米晶體可能推動柔性醫療器件發展；NbN等材料則可能進一步探索微型化超導器件方向。
總體而言，這項發表于《自然》的研究首次實現了多種金屬氮化物膠體納米晶體的可控制備，為該類高性能材料從傳統的塊體和薄膜形態，向可打印、可柔性集成的新形態發展提供了技術路徑。
文獻信息：
Lin, R., Khokhar, V., Jiang, N. et al. Ammonia pressure controls colloidal metal nitride synthesis in molten salts. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10801-3
信息來源： DT半導體、半導體技術情報
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