“桥接掺杂”技术揭示了液态金属化学中的隐藏反应路径

《Accounts of Materials Research》：Bridge Doping Unlocks Hidden Pathways in Liquid Metal Chemistry

液态金属中介掺杂策略通过中间金属溶解非金属/类金属，实现其在液态金属中的掺杂，解决了传统方法溶解度低的问题，拓展了材料设计空间，应用于电子、能源和生物医学领域。

　　在材料科学领域，掺杂技术是一种关键手段，用于赋予材料特定的性能，如电子特性、光学特性、催化活性以及生物相容性等。传统的掺杂方法主要包括离子注入、扩散、原位沉积、置换掺杂、间隙掺杂、表面功能化、固态反应、溶胶-凝胶法以及离子交换等。这些方法在特定应用场景中已经取得了显著成果，但它们的适用范围和操作条件往往受到限制。近年来，液态金属介导的掺杂技术作为一种创新的替代方案，逐渐受到关注。该方法通过将掺杂元素先溶解于液态金属或其合金中，再转移到界面层进行收集，为功能性材料的合成提供了新的思路。

然而，目前大多数研究集中在金属掺杂方面，对于反应性非金属（如氢、碳、氮、卤素、硫族元素等）和类金属（如硼、硅、锗、砷、锑、碲等）在液态金属中的掺杂却鲜有报道。这主要是因为这些非金属和类金属元素在液态金属中的溶解度极低，甚至完全不溶，导致其难以通过传统方法进行有效掺杂。尽管如此，这些元素的掺杂对于优化材料的性能具有重要意义。它们能够调控材料的能带结构，控制电荷载流子的行为，增强反应活性，并在功能性的光电材料、催化剂和生物活性系统中引入新的功能位点。因此，开发能够实现这些元素有效掺杂的技术，对于拓展材料设计空间、推动其在能源、电子和生物医学等领域的应用至关重要。

为了突破这一瓶颈，提出了一种“桥式掺杂”（bridge doping）的新概念。该概念的核心在于利用具有交叉溶解性的次级金属元素作为中间媒介，从而实现反应性非金属和类金属在液态金属中的间接掺杂。所谓交叉溶解性，是指某些次级金属能够同时与液态金属（如后过渡金属和锌族金属）以及非金属或类金属元素形成合金。通过这种机制，非金属或类金属元素可以先与次级金属结合，随后次级金属再与液态金属发生反应，从而将目标元素引入液态金属体系中。这种策略不仅克服了非金属和类金属在液态金属中溶解度低的限制，还为实现原子级别的均匀分布提供了可能性。

桥式掺杂技术主要包括两种主要策略：自上而下（top-to-bottom）和自下而上（bottom-to-top）。在自上而下的策略中，目标元素或其有机载体被引入液态金属的表面，随后通过次级金属的溶解作用，将这些元素传递至液态金属的内部。这一过程通常涉及有机载体的分解，释放出目标元素，并使其溶解于次级金属中，最终在液态金属表面实现均匀的掺杂。而在自下而上的策略中，目标元素首先与次级金属形成合金，随后次级金属在熔融状态下与液态金属发生反应，从而将目标元素引入液态金属体系中。两种策略都依赖于次级金属的交叉溶解性，使其能够作为桥梁，连接液态金属与非金属或类金属元素。

为了更系统地理解桥式掺杂的可行性，可以参考不同元素在液态金属中的溶解性数据。例如，碳在液态金属中的溶解性受到限制，但在某些过渡金属（如钴、铁、锰和镍）中具有较高的溶解度。这些过渡金属可以作为碳的载体，帮助其在液态金属中实现有效的掺杂。同样，氟、硫、磷、硼和硅等元素在液态金属中的溶解性也存在差异，某些次级金属能够作为它们的桥梁，促进其在液态金属中的溶解和分布。通过构建一个元素间的交叉溶解性网络，可以更清晰地展示桥式掺杂的潜力和适用范围。

桥式掺杂技术的应用不仅限于单一元素的掺杂，还可以扩展到复合掺杂或协同掺杂的场景。例如，在液态金属中引入多个非金属或类金属元素，通过次级金属的桥梁作用，实现它们的共存和均匀分布。这种策略能够显著提升材料的综合性能，例如增强其催化活性、提高其导电性或改善其光学响应。此外，桥式掺杂还可以用于调控材料的微结构和形貌，通过液态金属与次级金属之间的反应，实现特定的晶相转变或界面生长模式。这些特性使得桥式掺杂成为一种极具前景的材料合成方法。

在实际应用中，桥式掺杂技术的实现需要考虑多个因素，包括液态金属的种类、次级金属的选择、目标元素的性质以及反应条件的控制。例如，某些液态金属（如镓、铟、锡等）在特定温度范围内具有良好的溶解能力，可以作为理想的基底材料。而次级金属的选择则需基于其与液态金属和目标元素之间的溶解性匹配。此外，目标元素的引入方式（如气体携带、有机溶剂溶解等）也会影响最终的掺杂效果。因此，研究和优化这些参数对于提高桥式掺杂技术的效率和适用性至关重要。

桥式掺杂技术的推广和应用，有望为材料科学带来革命性的变化。通过这一方法，不仅可以实现原本难以溶解的非金属和类金属元素在液态金属中的有效掺杂，还能够推动新型功能性材料的开发。例如，在液态金属界面下，可以合成具有特定结构和性能的二维材料，如石墨烯、氮化硼、硫化物等。这些材料在电子、光学和催化等领域具有广泛的应用前景。此外，桥式掺杂还可以用于调控材料的表面性质，使其在特定条件下表现出优异的反应活性或选择性。这种技术的灵活性和可控性，使其成为未来材料设计和合成的重要工具。

总之，桥式掺杂作为一种新兴的掺杂策略，为解决反应性非金属和类金属在液态金属中溶解度低的问题提供了新的思路。通过次级金属作为桥梁，可以实现这些元素在液态金属中的间接掺杂，从而拓展材料的性能和应用范围。随着对这一技术的深入研究和优化，桥式掺杂有望在多个领域中发挥重要作用，推动新型材料的开发和应用。