新型二维tph-CN2材料：具有符号可调泊松比的突破性设计

研究人员通过键旋转策略设计出由4+5+6元环构成的二维tph-CN2材料，解决了传统p-CN2带隙过宽（6.53 eV）和泊松比不可调的局限。该材料在6%应变下呈现负泊松比（NPR），兼具290.7 N/m的高杨氏模量和5.23 eV可调带隙，其能带边缘跨越水氧化还原电位，为纳米机械器件和光催化提供了新平台。

　　

在二维材料研究领域，石墨烯的卓越性能曾引发广泛关注，但其固有的结构缺陷和不可调谐的力学特性限制了进一步应用。尤其令人遗憾的是，具有高能量密度的p-CN₂虽在航空涂层领域展现出潜力，却因6.53 eV的超宽带隙无法有效吸收可见光。更关键的是，传统二维材料的泊松比多为固定正值，难以满足纳米机械器件对材料变形特性的精准调控需求。

吉林科技大学的科研团队通过创新性的键旋转策略，在p-CN₂中引入结构缺陷，成功设计出由四元环、五元环和六元环共同构成的tph-CN₂单层材料。这项发表在《Materials Science in Semiconductor Processing》的研究表明，该材料不仅具备符号可调的泊松比，更实现了力学性能与电子结构的协同调控，为开发新一代智能纳米器件提供了可能。

研究人员采用维也纳第一性原理计算软件包（VASP）进行模拟，设置800 eV截断能和8×8×1 k点网格，通过弹性常数计算、分子动力学模拟和声子谱分析验证稳定性。应变工程被用于系统研究材料在0%-8%单轴应变下的响应特性，同时采用HSE06杂化泛函精确计算电子结构。

结构表征
通过旋转p-CN₂的N-N键构建出两种新型结构：旋转两个N-N键形成th-CN₂（四/六元环），旋转四个N-N键则获得含4+5+6元环的tph-CN₂。后者展现出独特的褶皱构型，氮原子呈现sp²杂化特征，晶格常数a=b=4.61 ?。

力学性能
tph-CN₂表现出显著的各向异性：沿扶手椅和锯齿方向的杨氏模量达290.7 N/m（接近石墨烯的340 N/m），而泊松比仅为0.073。最突破性的发现是，当x方向应变增至6%时，泊松比转为负值（-0.021），这种符号可调特性源于应变诱导的键角重构。

电子结构
原始tph-CN₂具有5.23 eV间接带隙，其价带顶和导带底分别跨越水的氧化还原电位（H⁺/H₂和O₂/H₂O）。施加8%应变可使带隙降至4.17 eV，但能带边缘仍保持催化水分解的热力学可行性。

这项研究不仅首次在CN₂体系中实现泊松比的符号调控，更揭示了结构缺陷工程对二维材料多性能协同优化的普适性规律。tph-CN₂兼具高刚度、负泊松比和可调带隙的特性，使其在纳米谐振器、应变传感器和光解水催化剂等领域具有独特优势。特别值得注意的是，该材料在航空极端环境下的潜在应用价值——其热力学稳定性可达2500K，远超传统聚合物基负泊松比材料的耐温极限。这些发现为二维功能材料的理性设计提供了新范式。