王红艳/陈元正/周军Newton: 共价有机框架中成分可控的节点线半金属 | Cell Press对话科学家

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2025-11-17 17:03发布于北京CellPress细胞科学官方账号

物质科学

Physical science

在二维共价有机框架（COF）材料中实现拓扑电子态，是当前有机拓扑材料研究面临的前沿挑战。2025年11月13日，西南交通大学王红艳教授、陈元正副教授联合新加坡技术科技局周军Senior Scientist在Cell Press细胞出版社旗下期刊Newton上发表了一篇题为“Composition-controllable topological nodal-line semimetals in covalent organic frameworks”的论文。该研究结合COFs的结构特征以及它们的节点和连接单元的分子轨道特征，提出一种能带耦合调控的设计策略。通过精确调控共价有机框架的组成单元，使费米能级上下的简单能带模型相互靠近并在费米能级附近相互交织，从而实现由平庸绝缘态向拓扑非平庸态的转变。

研究亮点

通过合理设计和调控共价有机框架（COF）的组成单元，实现其由平庸绝缘态到拓扑节点线半金属态的可控转变。
通过调控两组简单能带模型的耦合关系，首次在复合六带模型整体中实现节点半金属态。
揭示了Si-Br结构单元可有效促进杂并苯连接的共价有机框架结构发生拓扑转变，为分子层级拓扑调控提供了新的设计思路。

研究背景

随着无机拓扑材料数据库的不断完善，有机拓扑材料逐渐成为了研究者们关注的前沿方向，其中二维共价有机框架（COFs）尤为引人注目。这类材料具有比表面积大、结构可设计性以及源于有机分子多样性的高度可控性，因此展现出极大的研究潜力。然而，现有COFs的电子结构通常由费米能级上下起决定性作用的简单能带模型共同组成复合能带模型，表现出平庸的绝缘态。这主要源于有孔结构导致轨道重叠减弱，以及组成元素的外层轨道能级较低。

为了实现更多类型的拓扑半金属态和拓扑绝缘态，本项工作结合COFs的结构特征以及它们的节点和连接单元的分子轨道特征，提出一种能带耦合调控的设计策略。通过精确调控共价有机框架的组成单元，使费米能级上下的简单能带模型相互靠近并在费米能级附近相互交织，从而实现由平庸绝缘态向拓扑非平庸态的转变。

HBAT-COF的可行性设计

近年来，杂并苯连接的共价有机框架展示出了高度的可设计与合成可行性。该类材料主要由C, B, H, N, O, S (Se)以及卤族元素组成，但目前报道的体系均表现为平庸绝缘体。借鉴2023年首次合成的二硅苯连接的HBTP-COF的合成方法，本研究采用有机分子HBAT与Si原子进行结构设计，成功构筑了由二硅苯连接的半金属共价有机框架HBAT-COF(图1)。

图1 蜂窝状杂并苯连接的COF的发展

HBAT-COF的非平庸拓扑态

通过费米能级附近能带电子态的计算，以及连接单元分子轨道的不可约表示(对称性)分析，研究团队发现，HBAT-COF的导带与价带穿越费米能级相互交织，形成具有能带反转特征的节点线半金属。从结构组成来看，等电子体HBTP-COF的半导体性到HBAT-COF的半金属性的转变，是通过氮原子的高能电子实现。连接能带交点的导电边缘态也清晰地证明了HBAT-COF的非平庸拓扑态(图2)。

图2 HBTP-COF和HBAT-COF的能带电子结构

从HBTP-COF到HBAT-COF的节点线半金属态转变

通过对两个COF的结构与连接单元的前线分子轨道简并度分析，研究团队发现它们满足产生双原子Kagome能带模型的条件，并提出产生如此的能带模型的结构需要满足pz轨道半填充的条件。而多个杂并苯连接的COF结构对比发现，氮原子与Si-Br单元的轨道耦合作用促使六带模型中两个三带模型相互靠近然后交织形成节点线半金属(图3)。

图3 HBAT-COF中节点半金属态的起源

二硅苯连接的COF中成分依赖的拓扑半金属态

与HBTP-COF相比，HBAT-COF的能带结构主要通过吡嗪单元进行调控。基于此，研究团队提出，通过控制结构中吡嗪单元的数量，调控结构的性质。第一性原理计算发现，吡嗪单元的数量确实决定着与Si-Br单元耦合作用的大小。此外，通过增加连接单元中的并苯数量，同样可以调控拓扑态的转变(图4)。

图4 实现拓扑转变的两种成分可控的方法

总结与展望

根据实验首次合成的二硅苯连接的共价有机框架结构HBTP-COF，研究团队设计了HBAT-COF。与此前报道的杂并苯连接共价有机框架均表现为平庸绝缘体不同，HBAT-COF展现出了拓扑节点线半金属性质。通过对比分析它们之间的结构特征与组成单元的分子轨道特征，研究团队揭示了HBAT-COF的节点线半金属态的形成机理。基于这一规律，研究团队进一步提出了一种可以用于具有类似节点线性半金属性质结构的通用方法。该方法的提出，有望以有机分子单元组成结构的能带电子结构特征为基础，指导更多具有特殊拓扑性质的有机结构的理性设计与构筑。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文通讯作者王红艳教授进行了专访，请她为大家进一步解读。

CellPress：

请简要概述这项工作的亮点。

王红艳教授：

目前对于新型有机拓扑材料的探索研究还比较少，且主要还是依据传统的试错法去找拓扑半金属或者拓扑绝缘体材料。这对于原胞就有几十个甚至上百个原子的有机结构来说，研究效率是非常低的。因此，我们尝试从有机材料的结构特征和它们的组成单元，即节点单元和连接单元的分子轨道所形成的能带模型出发，像在无机材料中用原子设计无机结构一样，利用有机分子设计有机结构。根据有机分子之间在形成结构时所形成能带模型的规律，达到通过设计结构就能设计材料的费米附近能带电子结构的目的。以本文所发现的一系列杂并苯连接的共价有机框架结构为例，费米能级上下的能带被费米能级分开，可以形成常规的平庸绝缘态。我们通过探索它们形成的规律，找到了可以使它们相互交织的作用力。最后也就在六带模型整体中形成了罕见的节点线半金属。这个工作的一个最核心的要点是，从有机结构的组成单元出发“编织”费米能级附近的能带电子结构。

CellPress：

研究过程中是否遇到了困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

王红艳教授：

研究的过程中，我们对于工作中主要讨论的HBAT-COF这个结构的节点线半金属的证明遇到了一点小麻烦。因为从计算结果上来说，它不算完美的节点线半金属结构。它的能带电子结构在第一布里渊区的某些地方是能看到带隙的。审稿人也提出了质疑。不过，后面我们在进行修改时又查阅了大量的文献，并与同行进行了讨论，也从分子轨道的不可约表示与对称性上证明了结构的能带和价带之间确实存在能带反转的结果，证明了研究工作结构的合理性。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

王红艳教授：

就如我刚才所说，目前对于有机拓扑材料的研究还较少，还有很多具有特殊性质的新型拓扑材料没被挖掘出来。而有机材料，由于它们的内部孔的存在，它们是一类比较重要的柔性材料原料。所以我们团队下一步的计划是深入探索其他特殊的有机拓扑材料，我们相信有机拓扑材料将会在柔性电子器件中取得重要突破。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Newton来发表这个工作的原因？

王红艳教授：

牛顿曾经说过一句话：“如果我能看得更远一点，那是因为我站在巨人的肩膀上。”当听说Newton这个期刊名时，我们就被它所吸引。我们团队相信编辑团队的眼光与定位。在投稿和审稿过程中，我们也感受到编辑和审稿人的专业性，他们提出宝贵意见也极大地提升了我们工作的深度和广度。最后我们希望能站在Newton的肩膀上看得更远。

作者介绍

蔡信勇

讲师

蔡信勇，西华大学讲师。师从西南交通大学王红艳教授、陈元正副教授、新加坡技术研究局周军Senior Scientist。2024年获得西南交通大学博士学位，现就职西华大学理学院物理实验中心。研究方向是二维有机功能性材料的结构设计与预测，目前主要研究锂电池电极材料、光电材料、光催化材料、电催化材料、拓扑材料。

周军

Senior Scientist

周军，新加坡技术科技局（A*STAR）未来能源加速与转化研究所（FEAT）和材料研究与工程研究所（IMRE）Senior Scientist。研究兴趣包括高熵陶瓷、二维材料以及基于数据驱动的方法进行功能材料设计等方向。目前已发表学术论文90余篇，Google Scholar H指数为32，引用次数超过4000次。以第一作者或通讯作者身份在Nature Communications, Small, Materials Horizons, Physical Review B等国际知名期刊发表论文30余篇。其创建的二维材料数据库2DMatPedia被材料科学领域广泛使用，成为高被引工作之一。

陈元正

副教授

陈元正，西南交通大学物理科学与技术学院副教授（特聘研究员），博士生导师。2014年博士毕业于吉林大学物理学院，博士师从马琰铭院士，2014年7月加入西南交通大学，随后分别在北京计算科学研究中心林海青院士、美国加州州立大学北岭校区苗茂生教授和新加坡国立大学冯元平教授课题组从事博士后或访问研究工作。主要从事极端功能材料设计和微纳器件开发。在Nat. Comm., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano Energy, Nano Lett.等国际权威学术期刊上发表60余论文，被引用4000余次，H指数因子35。

王红艳

教授

王红艳，西南交通大学物理系教授。1999年获四川大学博士学位。1999年至2007年，任四川大学原子与分子物理研究所讲师、副教授。现在是西南交大微纳器件与材料物理团队的负责人。主要研究方向为低维纳米材料的多尺度模拟与可控制备。