研究背景
隨著納米技術和分子工程的迅速發展，低維材料的設計和合成引起了廣泛關注。這些材料在電子、光學和磁性等方面展現出獨特的性質，因而在納米電子學、催化和傳感器領域具有巨大的應用潛力。N-雜環卡賓（NHC）是一類強力配體，其與過渡金屬原子的共價相互作用形成的前線分子軌道（FMOs）具有獨特的電子特性。這些新興的電子態已被廣泛應用于化學催化和功能材料的研究。然而，盡管已經探索了在表面自組裝單分子層中形成卡賓-金屬配合物，但設計和電子結構表征擴展的低維NHC-金屬晶格仍然面臨諸多挑戰。NHC配體與金屬的鍵合通常會導致形成穩定的金屬有機結構，這些結構在催化和材料科學中表現出顯著的優勢。然而，現有的研究主要集中在單分子層或小分子配合物上，對于延伸到一維或二維的NHC-金屬晶格的研究較少。傳統方法難以控制這些低維結構的有序組裝和電子性質，從而限制了其在實際應用中的潛力。此外，這些低維結構的功函數通常較高，限制了其在電子器件中的應用。為了解決這一挑戰，加州大學伯克利分校Felix R. Fischer教授，Michael F. Crommie教授和中國科學院外籍院士Steven G. Louie等人在“Science”期刊上發表了題為“Synthesis and characterization of low-dimensional N-heterocyclic carbene lattices”的最新論文。加州大學伯克利分校化學系郄博宇博士、物理系Wang Ziyi博士、Jiang Jingwei博士為論文共同第一作者。本研究提出了一種穩健的方法，通過戰略性設計分子前體進行自下而上原位合成，成功構建了一維（1D）和二維（2D）的NHC-金屬晶格。具體而言，我們通過精確工程化NHC–Au連接的前線軌道，成功設計并合成了一維鏈（1D-NHCAuC）和二維Kagome晶格（2D-NHCAuKL）。這些低維結構的電子特征源自獨特的NHC-金屬鍵合模式。通過掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論，我們揭示了C-Au-C π鍵合分子態對分散帶的貢獻，發現這些低維晶體具有異常低的功函數，與體塊堿金屬相當。 本研究不僅解決了低維NHC-金屬晶格的有序組裝和電子性質控制的問題，還展示了一種高度模塊化的自下而上方法，為未來探索低維NHC–過渡金屬網絡中出現的電子和磁性現象奠定了基礎。這種方法為設計和合成具有特定功能的低維材料提供了新的途徑，有望推動相關領域的發展。
科學亮點
（1）本實驗首次采用了模塊化方法，通過精心設計分子前體進行自下而上原位合成，成功地構建了一維金屬有機鏈（1D-NHCAuC）和二維Kagome晶格（2D-NHCAuKL）。（2）實驗結果顯示，通過確定性地工程化NHC–Au連接的前線軌道，得到了具有內在金屬性質的低維NHC晶格。這些結構展現出獨特的電子特征，源自NHC–金屬鍵合模式。 （3）通過掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論分析，揭示了C–Au–C π鍵合分子態形成的單電子占據分子軌道（SOMO）的異常高能量，導致這些低維晶體的功函數降低。（4）與體塊堿金屬相比，這些低維NHC晶格的功函數具有可比性，為未來研究提供了探索低維NHC–過渡金屬網絡中出現的電子和磁性現象的機會。
圖文解讀
圖2. 自下而上的1D-NHCAuC和2D-NHCAuKL的合成。
總結展望
本研究提出的創新設計方法和成功構建的低維NHC晶格為材料科學領域帶來了重要的科學啟迪。首先，通過精心設計分子前體進行自下而上的原位合成，可以實現具有特定功能和結構的分子網絡的制備，為構建新型功能材料奠定了基礎。其次，研究通過精確工程NHC–Au連接的前線軌道，成功構建了一維鏈和二維Kagome晶格，揭示了NHC與過渡金屬之間的獨特鍵合模式，為理解和利用這些體系的電子和磁性性質提供了新思路。同時，利用掃描隧道光譜和第一性原理密度泛函理論對構建的NHC晶格進行了電子結構表征，發現了具有異常低功函數的特性，為開發新型低功函數材料提供了重要參考。最后，采用高度模塊化的自下而上方法，不僅為NHC晶格的構建提供了靈活性和可控性，還為其他分子系統的設計與合成提供了新思路。因此，本研究為未來材料科學的發展提供了新的思想和方法，有望為設計新型功能材料和電子器件帶來重大突破。 Boyu Qie et al. ,Synthesis and characterization of low-dimensional N-heterocyclic carbene lattices.Science384,895-901(2024).DOI:10.1126/science.adm9814
