纳米碳材料模拟组的 Yoshiyuki Miyamoto（组长）和非平衡材料模拟组的 Takehide Miyazaki（组长）、日本国立先进工业科学技术研究院 (AIST) 纳米系统研究所（所长：Tomohiko Yamaguchi；所长：Ryoji Chubachi）与四川大学（中国）的张宏（教授）和 Angel Rubio 合作马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所（德国）的（教授）根据第一原理模拟的结果，从理论上提出了通过照射红外（IR）激光来减小层状材料六方氮化硼（hBN）层间距离的可行性。

该提议基于模拟结果，该结果显示了红外激光照射下硼 (B) 和氮 (N) 原子交替晶格振动的大幅值。由于B和N原子分别具有正有效电荷和负有效电荷，这种大振幅的振动可以引起原子层之间有吸引力的库仑相互作用。相互作用压缩了层间距离，距离比原来的距离减少了10%以上。这些模拟结果建议应用于在受控距离等层间空间发生的化学反应，从而有助于新材料的探索。

当前研究的详细信息将在线发布于物理评论信美国物理学会于 2015 年 3 月 19 日发布（美国东部时间）。

红外激光照射引起的晶格振动导致六方氮化硼层间压缩的示意图

近年来，低维材料备受关注。特别是像石墨烯这样的单原子厚度的层状材料，由于其独特的电子特性，如高载流子迁移率和对波长不敏感的光吸收以及在层间承载物质的能力，在低功率晶体管、高效光电转换器、传感器等方面具有潜在的应用前景。已经研究了它们的电子特性取决于层间距离。然而，目前还没有技术可以控制距离。红外激光器具有商业化封装，可以通过剥离单层或烧蚀几层来分解层状材料。相比之下，本研究提出了一种前所未有的技术来加强层间相互作用。

AIST 对石墨烯和其他低维材料进行研究，旨在提高性能并取代传统材料。为了加速实验研究，AIST还开发了具有高精度和可预测性的模拟技术，可以指导激光合成和改性层状材料。世界上拥有这样的模拟技术的研究机构屈指可数。

目前的部分工作得到了文部科学省创新领域科学研究援助基金“原子层科学”（2013 财年 - 2017 财年）的支持。

本工作从理论上提出，由于红外激光触发的晶格振动幅度的增加，六方氮化硼（一种层状材料）的偶极子-偶极子层间吸引力得到增强。为了预测这一点，通过同时求解电子的瞬态薛定谔方程和离子运动的牛顿方程，对激光照射下的电子动力学进行了高精度的第一原理模拟。

hBN 是一种由硼 (B) 和氮 (N) 原子交替排列在每个堆叠层的蜂窝晶格中组成的化合物（图 1）。

图1：由硼和氮原子组成的六方氮化硼（hBN）片的蜂窝晶格

层间凝聚力的起源是一种弱相互作用，即所谓的范德华力，人们发现，通过紫外激光照射在惰性气体中进行电子激发可以增强这种相互作用（AIST 新闻稿，2014 年 5 月 19 日)。目前的工作通过诱导晶格振动而不是电子激发来增强范德华力。

当调谐波长为14 µm的红外激光时，可以引起B和N原子沿相反方向的晶格振动，如图2中的绿色箭头所示。由于B和N原子分别具有正和负有效电荷，这种大振幅的振动可以在六方氮化硼片上产生平行的动态偶极子，从而在片之间产生吸引力。

图 2：IR 激光引起的晶格振动以及每个六方氮化硼片材随后偏振的示意图

通过第一性原理模拟发现，动态偶极子产生的库仑力使六方氮化硼的层间距离缩短了113%。过去的实验报告显示，通过照射波长为800 nm的脉冲压缩激光，石墨的层间收缩率为6%，而本研究中六方氮化硼的收缩程度则超越了过去。此外，在强烈的红外激光照射下，模拟表明电子激发抑制了六方氮化硼的层间收缩。因此，从模拟中得知，将激光功率调整到 1x10 左右¹²瓦/厘米²对于层间收缩至关重要。通过将激光束聚焦在微米级直径上，可以使用商用激光套件来实现这种强度。

将来，研究人员将进行实验研究来证实这一理论预测，并将红外激光诱导的层间收缩应用于利用插入层状材料片之间的物质的新颖化学反应来形成新材料。此外，他们还将把红外激光器的应用从传统加热扩展到激光诱导晶格振动引发的化学反应的新领域。