二維硼(硼烯)的成功實(shí)驗(yàn)獲得

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

二維硼(硼烯)的成功實(shí)驗(yàn)獲得

劉忠范

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，北京大學(xué)納米化學(xué)研究中心，北京100871)

以石墨烯(graphene)為代表的新型二維晶體材料近年來逐漸興起。二維材料性質(zhì)各異，且易于調(diào)控和集成，其豐富多彩的電子態(tài)和物理效應(yīng)為構(gòu)筑新型的電子器件提供了新機(jī)遇。其中，單元素二維材料由于結(jié)構(gòu)簡單、易于分析和調(diào)控、可以視為模型化的二維晶體系統(tǒng)。除了石墨烯之外，人們已經(jīng)成功地制備出了硅烯、鍺烯、錫烯、黑磷等單元素二維材料，但這些材料在空氣中不能穩(wěn)定存在，應(yīng)用面臨困難。硼是元素周期表中的第5位元素，其存在類似碳的sp2雜化軌道，具有短的共價(jià)鍵半徑和多樣化的價(jià)態(tài)，這些性質(zhì)有利于形成低維的硼同素異形體，譬如硼納米管、籠狀結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)等。而平面結(jié)構(gòu)的二維硼(也稱硼烯，即borophene)可以視為這些低維結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)，其存在的可能性一直受到理論研究者的強(qiáng)烈關(guān)注。然而在實(shí)驗(yàn)上，因?yàn)榕鸬母呷埸c(diǎn)、低蒸汽壓，有效熱蒸發(fā)溫度超過2000°C，直接熱蒸發(fā)非常困難。此前制備硼材料主要采取硼化物，易于引入雜質(zhì)和復(fù)雜反應(yīng)過程。因此盡管理論上備受關(guān)注，但二維硼(硼烯)是否真實(shí)存在？實(shí)驗(yàn)上一直沒有給出答案。

在Ag(111)襯底上利用MBE手段獲得的單原子層厚度的硼烯島(a,d)是Ag(111)上兩種硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖，(b,e)是兩種硼烯的高分辨掃描隧道顯微鏡圖，(c,f)是兩種硼烯的原子結(jié)構(gòu)模型，其特征是三角晶格中的周期排列的空洞。

最近，Nature Chemistry刊出了中國科學(xué)院物理研究所//北京凝聚態(tài)國家實(shí)驗(yàn)室(籌)表面室吳克輝研究組的研究成果1。他們利用超高真空分子束外延(MBE)直接進(jìn)行單原子層構(gòu)筑的方法，在Ag (111)襯底上獲得了理論期待已久的單層硼烯。他們克服了硼難以蒸發(fā)的困難，使用電子束加熱自制高純石墨坩堝，實(shí)現(xiàn)了在超高真空中，超高溫度下直接熱蒸發(fā)硼單質(zhì)。通過掃描隧道顯微鏡(STM)研究發(fā)現(xiàn)了兩種硼烯結(jié)構(gòu)，與理論上預(yù)言的具有不同周期孔的兩種三角形晶格(β12相和χ3相)相符。此外，他們還發(fā)現(xiàn)硼烯有相當(dāng)穩(wěn)定的抗氧化性，并且與襯底僅有較弱的相互作用，說明硼烯未來很有可能在器件上得到應(yīng)用。

理論學(xué)界期待已久的硼烯在實(shí)驗(yàn)上合成成功，對(duì)將來可能的基于硼烯的應(yīng)用提供了誘人的前景。硼烯結(jié)構(gòu)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)或者可能具備很多重要的特性。例如，體相的硼單質(zhì)是半導(dǎo)體材料，而在理論上以及此研究都已經(jīng)驗(yàn)證硼烯具有金屬性，并且受到其三角晶格中的不同空位排列結(jié)構(gòu)的調(diào)制，有可能實(shí)現(xiàn)多樣化的電子性質(zhì)。目前已有跟進(jìn)的理論預(yù)言，認(rèn)為本工作所發(fā)現(xiàn)的兩種硼烯有可能會(huì)出現(xiàn)明顯的超導(dǎo)特性2,3。另外，硼烯具有一定的抗氧化性，有助于克服二維材料易被氧化而不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。硼烯較短的鍵長也會(huì)使其具備較好的機(jī)械性能。

硼烯研究領(lǐng)域受到國際廣泛關(guān)注和競(jìng)爭。此前，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的研究者曾于2015年12月在Science上刊出了針對(duì)相同體系的獨(dú)立類似工作4，但他們的論文投稿時(shí)間為2015年7月27日，相對(duì)要晚于本研究的投稿時(shí)間(7月17日)。該工作也報(bào)道了兩種硼烯結(jié)構(gòu)，其中一種與本工作相符，但另一種結(jié)構(gòu)不符，有待后續(xù)研究進(jìn)一步比較驗(yàn)證。目前有多個(gè)第三方發(fā)表的理論工作2,3,5傾向支持本研究所發(fā)現(xiàn)的結(jié)果。

References

(1)Feng,B.J.;Zhang,J.;Zhong,Q.;Li,W.B.;Li,S.;Li,H.; Meng,S.;Chen,L.;Wu,K.H.Nat.Chem.2016,doi:10.1038/ nchem.2491

(2)Gao,M.;Li,Q.Z.;Yan,X.W.;Wang,J.arxiv.1602.02930

(3)Penev,E.S.;Kutana,A.,Yakobson,B.I.Nano Lett.2016,

doi:10.1021/acs.nanolett.6b00070

(4)Mannix,A.J.;Zhou,X.F.;Kiraly,B.;Wood,J.D.;Alducin,D.; Myers,B.D.;Liu,X.L.;Fisher,B.L.;Santiago,U.;Guest,J. R.;Yacaman,M.J.;Ponce,A.;Oganov,A.R.;Hersam,M.C.; Guisinger,N.P.Science 2015,350,1513.doi:10.1126/science. aad1080

(5)Zhang,Z.;Yao,Y.;Gao,G.;Yakobson,B.I.Angew.Chem.Int. Edit.2015,54,13022.doi:10.1002/anie.v54.44

10.3866/PKU.WHXB201603302