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为解决超级电容器能量密度低及探索新型二维（2D）材料性能问题，研究人员对 MN4（M=Be、Mg、Zn、Cd）单层进行研究。结果表明其有各向异性狄拉克锥，部分具优异超级电容性能。该研究为开发新型纳米电子和储能设备提供参考。
在材料科学的前沿领域，二维材料的研究一直是热门话题。自石墨烯在 2004 年成功从块状材料中剥离出来后，二维材料便以其独特的性能吸引了众多科研人员的目光。像具有交叉线性色散关系的二维狄拉克材料，展现出诸如卓越的载流子迁移率、弹道输运、高导热性以及非平凡的拓扑性质等迷人特性，在纳米电子学和能源存储等领域有着巨大的应用潜力。然而，二维材料中狄拉克锥的存在非常稀少，因为其电子行为与特定的晶格对称性紧密相关 。
同时，氮丰富的纳米材料在过去相对被忽视。尽管多氮化合物在推进剂、炸药、火箭燃料等方面被视为极具潜力的候选材料，但由于氮原子之间强大的三键（键能约 954 kJ/mol），使得二维氮材料的实验合成极为困难，这与碳和硼原子形成鲜明对比。直到最近，一种新型的二维层状材料 —— 铍氮烯（BeN4）通过高压合成（约 85 GPa）并减压至环境条件成功制备出来，这为多氮化合物的合成开辟了新道路，也让科研人员对富氮元素中独特的化学键有了更深入的认识。
在能源存储领域，超级电容器作为一种前沿的储能设备，能够在传统电池和常规电容器之间起到很好的性能衔接作用。不过，其相对较低的能量密度成为限制其发展的关键因素。因此，设计和优化具有更高比电容的新型电极材料成为研究的重点，因为这直接影响着超级电容器的能量密度 。二维材料因其大的比表面积、可调节的电子性质以及对特定小分子的高灵敏度，成为设计双电层（EDL）超级电容器电极的理想选择。此前研究发现 BeN4单层具有较高的钾离子（K+）存储容量（842 mA hg-1），且开路电压（OCV）范围（0.13 - 1.17 V）较低，适合作为高性能阳极材料。
在这样的研究背景下，为了进一步挖掘 MN4（M=Be、Mg、Zn、Cd）单层材料的潜力，研究人员开展了一系列深入研究。该研究成果发表在《Applied Surface Science》上，为新型纳米电子和能源存储设备的开发提供了重要参考。
研究人员运用了密度泛函理论（DFT）进行第一性原理计算，借助 QUANTUM ESPRESSO（QE）软件包开展相关工作。在计算过程中，采用投影增强波（PAW）方法处理电子 - 离子相互作用，并选择广义梯度近似（GGA）中的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）交换和相关泛函来考虑有效的电子相互作用，同时设置 600 Ry 的能量截止值以确保能量计算的准确性。
结构性质和稳定性分析
研究发现，MN4（M=Be、Mg、Zn、Cd）系列的所有结构都展现出相似的结构形态，但键长和晶格常数有所不同。以 BeN4单层为例，其结构具有沿穿过中心 Be 原子的 a 轴和 b 轴的反射对称性，属于空间群 Cmmm。这些单层的矩形单元由 8 个 N 原子和 2 个金属原子（M）构成。通过分析弹性常数来评估晶格畸变的影响，数值结果表明在扶手椅和锯齿方向存在强烈的机械各向异性 。
狄拉克锥特性研究
通过电子能带结构分析，发现所有结构都呈现出各向异性狄拉克锥特征。研究人员进一步提出了一种简单的耦合链模型来研究这种狄拉克锥的出现和稳定性，通过考虑各种跳跃参数，在紧束缚模型的框架内对 BeN4晶格中狄拉克费米子的出现进行了深入研究，并将紧束缚结果与 DFT 能带结构进行了严格对比，验证了理论框架的准确性 。
电容响应研究
研究人员通过计算不同电化学势范围内的量子电容，探究了所有结构的电容响应。结果发现，BeN4在正电极电位下量子电容最大值可达 219 。通过评估表面电荷密度（ ）来确定特定电极作为阴极或阳极的适用性，BeN4单层的 值最为突出（2.13），而其他 MN4类似物则有望成为对称超级电容器的电极材料。研究人员还追踪了水性和离子 / 有机体系中的 平均值，发现 BeN4在较高电化学范围内 值最大可达 65 。此外，研究还发现金属原子吸附的 BeN4结构在正电极电位下量子电容有显著提升 。
研究结论
研究人员通过第一性原理 DFT 计算，对 MN4（M=Be、Mg、Zn、Cd）单层进行了全面研究。从结构性质来看，其存在机械各向异性；通过计算德拜温度推测 BeN4在该系列中可能具有最大的晶格热导率。电子性质方面，证实了各向异性狄拉克锥的存在。电容性能上，明确了不同结构在超级电容器电极应用中的潜力。这些研究成果为新型纳米电子和能源存储设备的研发提供了重要的理论依据，有助于推动相关领域的进一步发展，为解决实际应用中的材料问题提供了新的思路和方向 。在未来的研究中，可以基于这些发现，进一步探索 MN4单层材料在更多领域的应用可能性，以及通过对材料的改性来优化其性能，使其更好地服务于实际生产和生活。
