硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的制備、結構、物性及應用研究?

郭澤堃 田顏 甘海波 黎子娟 張彤 許寧生 陳軍 陳煥君 鄧少芝 劉飛

(中山大學電子與信息工程學院,廣東省顯示材料與技術重點實驗室,光電材料與技術國家重點實驗室,廣州 510275)

硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的制備、結構、物性及應用研究?

郭澤堃#田顏#甘海波 黎子娟 張彤 許寧生 陳軍 陳煥君 鄧少芝 劉飛?

(中山大學電子與信息工程學院,廣東省顯示材料與技術重點實驗室,光電材料與技術國家重點實驗室,廣州 510275)

(2017年9月12日收到;2017年10月10日收到修改稿)

硼烯,堿土金屬硼化物二維納米結構,制備工藝,結構構型

1 引 言

自從2004年英國曼徹斯特大學的Novoselov和Geim[1]采用機械剝離的方式從層狀石墨晶體中首次獲得單原子層的石墨烯以來,石墨烯由于其獨特的高電子遷移率、高強度、高透明度、高熱導率等優異性質就吸引了國內外研究人員的廣泛關注[2?5].大量的實驗研究都表明石墨烯在物理、化學和材料等領域都具有潛在的應用,因此Novoselov和Geim教授由于石墨烯方面的重要研究工作而獲得了2010年諾貝爾物理學獎,同時這也拉開了新型二維納米材料研究的序幕.由于理想的石墨烯結構并沒有帶隙,這在很大程度上限制了其在微納電子器件領域的實際應用[6].為了解決這一難題,研究者嘗試利用各種方法來為石墨烯制作帶隙,如量子限域法、摻雜法和對稱性破缺法等[7],但是,目前這些為石墨烯創造帶隙的實驗方法都比較復雜且重復性不高,所以研究者致力于尋找具有本征帶隙和優良物理特性的新型類石墨烯型二維納米材料,例如:過渡金屬硫族化合物[8](如 MoS2,WS2,MoSe2)、過渡金屬氧化物[9](如MoO3,V2O5,WO3)、硅烯[10](silicene)、鍺烯[11](germanane)、錫烯[12](stanene)、六方氮化硼[13](h-BN)、砷烯[14](arsenene)、銻烯[15](antimonene)、硼烯[16](borophene)和黑磷[17](black phosphorus)等.

作為元素周期表IIIA族中惟一的非金屬元素,硼具有低密度、高熔點、高楊氏模量和穩定的化學特性等優點.在周期表上,硼元素與碳元素相毗鄰,并存在與碳相似的sp2雜化軌道,很可能形成與石墨烯類似的二維納米結構,這已成為國內外研究者關注的焦點.理論研究者們預測:硼烯不僅具有高費米速度[18](3.5×106m/s)、高楊氏模量[16](a和b軸方向可分別達到398 GPa·nm和170 GPa·nm)、高透光性和很好的化學穩定性[18?20],而且還可能擁有比石墨烯更高的電子遷移率和機械強度[21].硼烯具有比硅烯、鍺烯等更為穩定的帶隙結構[22,23],這對其在納電子器件上的實際應用更為有益.理論預測硼原子層與堿土金屬原子層可以通過“三明治”構型而形成二維堿土金屬硼化物納米結構,并且其二維納米結構還擁有十分獨特和優異的物理和化學特性[24?28].經過表面修飾或摻雜后的硼烯和堿土金屬硼化物二維納米結構還可能在能源、光電探測、催化和前沿科學探索等領域具有更為廣泛的應用前景[29?37].目前,二維納米器件的快速發展無法脫離現代信息光電技術所依靠的主流的硅加工工藝,考慮到在元素周期表中B元素與Si元素彼此鄰近,因此硼基二維納米材料與硅工藝的融合很可能會更為便利.盡管硼烯和堿土金屬硼化物二維納米結構很可能擁有十分優異的物理特性,但因制備工藝尚不成熟,關于其納米器件制作及其特性的研究才剛剛起步,所以這些問題的存在對科研工作者提出了很大的挑戰.

本文首先對目前硼烯的制備和摻雜工藝及其結構構型進行總結;其次介紹堿土金屬硼化物二維納米材料的結構構型和可能的制備路線;然后闡述硼烯和二維堿土金屬硼化物納米結構的物性和應用領域;最后對硼基二維納米結構的研究現狀進行分析,并對其未來的潛在發展趨勢進行了展望.

2 硼烯的制備技術、摻雜工藝及結構構型研究

目前常見的二維納米結構的制備方法可主要分為三類:物理氣相沉積法、化學氣相沉積(CVD)法和機械剝離法.雖然研究者經歷了十余年的不斷努力,已經掌握了硼納米線和納米管的制備技術[38?40],并且一些二維納米材料的制備工藝也已經比較成熟,但是硼烯由于合成條件苛刻和表面結構穩定性等難題的存在,制備技術一直困擾著廣大研究者.直到2015年底,美國阿貢國家實驗室的Guisinger研究小組[16]和中國科學院物理研究所的Wu小組[30]才分別獨立報道了硼烯的成功合成.隨后,一些關于硼基二維結構的理論和實驗工作也相繼出現[41,42].

2.1 硼烯的制備技術及結構構型

2.1.1 硼烯的制備工藝

硼烯的生長方法還十分有限,現有的制備技術主要分為兩類:分子束外延(MBE)法和CVD法.美國阿貢國家實驗室的Guisinger研究小組[16]和中國科學院物理研究所的Wu小組[30]分別采用超高真空環境下的MBE方法,首次在單晶Ag(111)襯底上實現了硼烯二維結構的生長.Guisinger研究小組[16]以99.9999%純度的硼靶作為源材料,在將硼原子外延生長在450—750°C的單晶Ag(111)上,結果獲得了兩種不同構型的硼烯,基本結構單元為B7團簇,其具體生長原理如圖1所示.他們發現表面起伏的硼烯的結構構型與生長溫度密切相關,其實驗結果與理論模擬結果的晶格間距和結構等數值都十分符合[16,43],而所制備的兩種硼烯結構被確定為β12相和χ3相[19,44].

圖1 (a)美國Mannix研究小組所制備的硼烯的生長示意圖;(b),(c)分別是硼烯的理論模型和實驗上所獲得的掃描隧道顯微鏡(STM)圖像[16]Fig.1.(a)The schematic diagram of MBE growth of borophene on Ag(111);(b)the computational model of borophene;(c)the scanning tunneling microscope(STM)image of borophene[16].

與此同時,中國科學院物理研究所的Wu研究團隊[30]在超高真空環境下,利用電子束加熱高純度的單質硼源實現了硼烯二維結構的成功制備.他們發現:當Ag(111)襯底加熱到570 K時,其表面會形成一種β12相的硼烯二維結構.而當襯底繼續升溫至650 K時,原本β12相的硼烯會轉變為χ3相的硼烯.進一步STM研究發現:β12相的硼烯晶胞中的六邊形空位呈現矩形構型,而χ3相的硼烯晶胞中的六邊形空位卻為鋸齒形排列(圖2).并且,當溫度進一步至800 K時,絕大多數硼烯都會轉變為χ3相,這揭示了生長溫度對硼烯的構型有直接影響.

隨后,南京航空航天大學的Tai研究組[29]采用CVD的方法也成功實現了硼烯的生長制備.他們將硼和氧化硼粉末作為蒸發源材料,利用1100°C的高溫下的H2還原反應,在Cu箔的襯底上成功生長出了γ-B28相的二維硼烯納米結構.如圖3所示,所使用的CVD系統有兩個分別獨立控制的溫區,通過調節兩個溫區的升溫速率可以實現對硼烯生長速率的控制.在反應過程中,B和B2O3粉末會首先形成B2O2蒸汽,然后在H2的還原作用下,最終在銅箔上獲得γ-B28相的硼烯薄膜.γ-B28相的硼烯晶胞包含有28個原子,由正二十面體的B12團簇和啞鈴狀B2團簇所構成,屬于Pnnm正交空間群.這種CVD方法的出現也為實現大面積的硼烯制備提供了可能的生長路線.

圖2 β12構型和χ3構型的硼烯的STM圖[19]Fig.2.The β12and χ3sheets are superimposed on their simulated STM images[19].

圖3 (a)生長硼烯的CVD系統示意圖;(b)單層硼烯的俯視圖和側視圖;(c)γ-B28相的硼烯晶胞在bc平面上的投影圖;(d)銅箔的光學顯微像[29]Fig.3.(a)The CVD system of borophene;(b)top and side views of the monolayer;(c)the basic unit cell of the monolayer in bc projection;(d)optical image of a borophene monolayer on Cufoil[29].

為了更好地研究二維硼烯的制備工藝,我們將這三個課題組的硼烯制備方法進行了仔細對比,列于表1.從表1可以看出,在超高真空條件下使用MBE法在單晶Ag(111)表面所生長的硼烯表面十分平整,生長溫度較低,硼烯的結晶質量很好,但是所生長硼烯的面積較小(約50 nm長的窄條),同一襯底上存在不同的結構構型,并且所制備的硼烯的生長設備較為昂貴.與MBE方法相比,CVD方法可以獲得更大面積的硼烯,而且由于其使用B和B2O3作為源材料和使用高溫管式爐系統,因此生產成本較低,同時同一襯底上硼烯的結構構型相對單一.但CVD方法的局限性在于硼烯的生長條件溫度較高(1100°C),這不利于在低熔點襯底的制備材料,而且其表面很容易出現氧化層.

表1 目前制備硼烯的制備方法的對比總結表Table.1.The comparison of the methods.

雖然采用CVD法或MBE法都可以在Cu箔或單晶Ag(111)襯底上制備硼烯,但考慮到未來與現有的Si襯底的微納加工工藝相結合和未來的成本及質量控制分析,CVD方法應該更具優勢.CVD方法在制備二維納米結構時具有可控性強、制備面積大和單晶質量好以及成本低等諸多優點,同時CVD方法可在Cu箔上生長硼烯結構,因此可以借鑒和利用Cu箔上石墨烯成熟的轉移技術(如濕法轉移、干法轉移、機械剝離轉移、電化學轉移和熱滾壓轉移等)[45?50]將Cu箔上的硼烯轉移至Si襯底,或者參考其他研究小組在硅襯底上直接制備多層石墨烯的技術,如通過B等離子體注入的方法在硅襯底上直接生長出多層硼烯結構[51],這樣將大幅縮短制備硼烯納米電子器件的應用進程.

2.1.2 二維硼烯的結構單元及其可能構型

很多二維納米結構都擁有不同的結構單元,其相應的結構構型的差異會直接決定材料的物理特性[52?55].如常見的過渡金屬硫族化合物類二維材料就有三角棱柱型、扭曲八面體、三角構型、六邊形構型和蝶狀構型等[56,57],其結構構型的差異會直接影響它們的機械性能、電學性能和光學性能.因此,研究二維硼烯的結構構型十分重要.

由于硼原子最外層有3個電子,所以存在多種構型方式來形成8電子的穩定共價鍵結構.近來大量的理論研究表明硼團簇至少存在16種同素異構體[58?60],其中只有硼的一些特殊的平面團簇結構(如B12,B13,B19,B24,B25,B30,B35和B36等)才能夠拓展形成平面或準平面結構[61?66],從而擁有獨特的物理和化學特性.除去已經被制備出的β12,χ3和γ-B28相的硼烯外,研究者也對其他相的硼烯結構進行了預測.

研究者主要通過計算平面或準平面的二維硼的結構穩定性來預測其是否能夠穩定存在,目前計算獲得的能夠穩定存在的硼烯晶胞多呈現六方形構型或三角形構型,同時單元結構中都存在六邊形的空位結構[67?71].例如:華南理工大學Yang課題組[72]利用第一原理計算和密度泛函理論研究了MBE法在單晶Ag(111)襯底上所制備的硼烯的結構構型.他們發現:隨團簇B原子數增多,硼的小團簇B1—3將穿透第一層Ag原子而不斷滲透沉積在銀基底上,繼而呈現三角形構型.同時,隨著硼團簇的增多將逐步形成具有空位的六方型的團簇B28和B45等,最終在不同生長條件下分別形成鋸齒形(zigzag)或扶椅型(armchair)的二維硼烯結構.在這個模型中,每個褶皺狀的硼烯單元結構中含有1/6比例的空位,這與實驗上所制備的硼烯的STM圖像十分符合,因此證明了其理論預測的合理性.

此外,理論預測的幾種硼平面團簇結構B30,B35和B36也很有可能拓展形成無限大的平面硼烯結構,且團簇結構中含有六邊形的空位是它們的共同特征[61?63].其中,B30和B36團簇結構是由美國布朗大學Wang課題組和中國清華大學Li課題組首次提出[62,63].如圖4所示,他們利用量子化學計算方法和改進的Basin-hoping算法獲得了兩種不同的B30平面手性團簇結構.可以看到,這兩種B平面團簇的六邊形空位出現在不同位置上[62],彼此互為手性對稱,其邊緣原子數為17,內部原子數為13,因此B30團簇可以被看作是由六邊形B36團簇移去邊緣的6個原子后所獲得的結構.此外,他們還預測一種具有六重對稱性的正六邊形B36平面團簇結構[63],此種高度對稱結構的中心位置存在1個六邊形空位,之后的光電子能譜實驗結果也證實了這種理論構型的存在.如圖4所示,單層硼烯中的B36平面團簇結構類似于石墨烯的C6結構單元,可以拓展為包含六邊形空位的無限大的硼烯二維平面結構.其中,頂點處的B原子由3個毗鄰的B36團簇所共享,而三角晶胞中的空位密度為1/27.

緊接著,Li等[61]又以B36平面團簇為基礎,進一步提出了可能拓展形成硼烯的另一種手性的B35平面團簇.如圖5所示,B35團簇的結構特點是結構單元的中央存在2個六邊形的空位,所以其結構可以看成是在包含1個空位的六邊形B36團簇的結構中,內部再增加1個空位所形成.他們利用自適應自然密度分配法(AdNDP:adaptive natural density partitioning)計算了其結構的穩定性.同時,他們還發現B35團簇結構與沒有空位的正六邊形C22H12結構十分相似.因此,B35平面團簇與B36平面團簇相類似,都是可以拓展形成二維無限大的平面硼烯結構.

美國波士頓大學的Piazza和猶他州立大學的Popov等[73]也提出了一種準平面的B25硼團簇結構.根據第一性原理的理論計算,他們發現B25團簇可能存在3種同素異構體,這三種結構在理論上都可以擴展形成二維硼烯結構.如圖6所示,在同素異構體I和II中,團簇的邊緣由15個B原子構成,而中間部分由10個B原子構成.同素異構體I的邊緣分別含有1個四邊形和1個五邊形的空位,同素異構體II的內部則只有一個5邊形的空位,同素異構體III則是由3排扭曲B原子所形成的近平面帶狀結構,其結構中包括18個邊緣原子和7個內部原子.而光電子能譜的實驗也證實了異構體II可以拓展形成二維硼烯結構.

圖4 B30,B36團簇結構單元和B36團簇所構成的二維硼烯結構[62,63]Fig.4.B30,B36and B36of borophene[62,63].

圖5 手性B35團簇的結構示意圖[61]Fig.5.The B35of borophene[61].

圖6 理論預測三種可能形成二維硼烯的三種硼團簇同素異構體[73]Fig.6.Three structures of quasi-plane boron cluster[73].

美國芝加哥大學的Littlewoo研究小組和阿貢國家實驗室Lopez-Bezanilla小組[36]通過第一性原理計算提出隸屬于8-Pmmn空間群的硼烯結構,如圖7所示.他們預測:作為第一種由單元素所形成的同時擁有兩種亞晶格離子特征的單層二維材料,8-Pmmn硼烯結構具有非常獨特的電學特性.8-Pmmn二維硼烯結構的狄拉克錐由四個相同B原子所構成的非平衡態亞晶格結構中的pz軌道雜化產生,并與其他硼原子構成六邊形構型,其結構類似于扭曲的石墨烯結構.

圖7 8-Pmmn構型硼烯的表面結構示意圖[36]Fig.7.The 8-Pmmn structures of borophene[36].

與具有完美平面結構的石墨烯不同,理論上所預測的硼烯二維結構皆是準平面結構,而且構成其準平面結構的大多團簇單元可以由硼原子以不同方式所構建,并且每個結構單元中都包含有一個或若干個六邊形空位.因此,硼烯的性質應可以通過控制硼烯結構中的空位數量和位置來實現調控.

2.2 硼烯的摻雜工藝以及摻雜后硼烯的表面構型研究

根據理論預測,硼烯結構在空氣中并不是十分穩定[21,63],而對硼烯表面進行修飾或摻雜,一方面可以使得其二維表面結構更為穩定,另一方面經過表面改性或摻雜后的硼烯可能會擁有更為獨特的光學和電學特性,所以開展硼烯的表面摻雜研究是十分必要的.

對于硼烯的表面修飾或摻雜研究主要集中在H,O,Fe和Ni等元素的理論研究方面.澳大利亞昆士蘭科技大學Du等[21]預測出四種穩定的二維硼氫結構:C2/m,Pbcm,Cmmm和Pmmn.如圖8所示:C2/m(B12H12)型的二維硼氫納米結構是由階梯型的團簇擴展形成;Pbcm(B4H4)型二維硼氫結構是由扭曲的B7團簇拓展形成;Cmmm(B4H4)型的二維硼氫納米結構則類似于蜂窩狀的單層石墨烯結構,其中B原子層夾在兩層H原子層之間;而Pmmn型二維硼氫結構在這四種結構中能量最高,可以看成是H化的二維硼烯結構.進一步的研究還表明,Cmmm和Pmmn構型的二維硼氫結構的布里淵區中還存在具有超高費米速度的扭曲的狄拉克錐.昆士蘭科技大學的Du和太原理工大學的Xu等[18]利用第一原理計算預測,對摻雜H的硼烯的結構進行研究,證明硼烯的表面可以實現完全氫化.同時,理論研究者認為硼烯表面實現H化存在兩種可能的實驗路徑:一種是類似于自下而上的直接生長的方法路線,即使用MBE法,以硼源為源材料,在超高真空條件下,利用高頻氫氣等離子體放電可以在金屬或金屬硼化物基底(如Ag,Au或MgB2)上直接制備表面H化的硼烯結構;另一種則是采用分子自組裝方法,即在實現硼烯結構制備后,再通過高溫下硼烯與H2的還原反應來實現其表面氫化.當然,在這兩種路線之中如果選擇硅插層基底,就可使硼烯的轉移更為便利.

圖8 C2/m,Pbcm,Cmmm構型硼烯的俯視圖和側視圖及其對應的楊氏模量表格[21]Fig.8.Top and side view and the two-dimensional Young’s modulus for the C2/m,Pbcm and Cmmm phase of borophene[21].

此外,中國科學院物理研究所的Wu研究小組[30]在超高真空的系統中充入氧氣,開展了硼烯邊緣的氧化過程研究.他們發現:當硼烯邊緣被氧化后,其表面結構將趨于穩定,內部的硼烯結構將不再繼續發生氧化反應,因此硼烯薄膜在空氣中體現出了良好的抗氧化性.與摻氫工藝相類似,硼烯表面的氧摻雜,也可以在實現硼烯的制備之后,再利用硼烯與O2在高溫之下的氧化反應,利用調控O2分壓來實現其表面的可控摻雜.

理論研究還發現,通過對硼烯表面進行不同比例的磁性元素(Fe,Co或Ni)摻雜,硼烯很可能具有可調制的磁性、光學和催化特性[26,74],這將進一步拓寬硼烯的應用領域.但目前關于硼烯的磁性元素的摻雜研究也還是停留在理論預測階段.例如:清華大學的Li小組和布朗大學的Wang研究小組提出了一種CoB18結構的二維材料[37],他們建議通過CVD工藝,通過調控Co粉末與硼源粉末的比例,可以有效調控硼烯二維網絡晶格中Co原子的含量.

3 堿土金屬硼化物二維納米材料的制備路線及其結構構型

堿土金屬(Be,Mg,Ca,Sr和Ba)位于元素周期表中IIA族,原子最外層具有2個價電子.它們可以與硼原子構成多種構型,進而形成二維堿土金屬硼化物.大量理論研究表明,堿土金屬硼化物在超導、儲能、光催化等領域都具有潛在的應用前景[24?28],因此它們也成為國內外研究者關注的焦點.

3.1 堿土金屬硼化物二維納米結構的制備方法

據我們所知,對于二維堿土金屬硼化物(如MgB6,CaB6,SrB6和BaB6)的制備方法研究主要集中在理論預測階段,而關于堿土金屬硼化物二維納米結構的相關實驗報道只有兩篇.印度理工學院的Das等[75]在水中使用超聲剝離技術來處理MgB2粉末,從而得到了少量的羥基化MgB2納米片結構.這種超聲剝離MgB2納米片的方法也為生長其他堿土金屬硼化物二維納米結構提供了一種可能的路線.此外,Mori研究小組[76]利用傳統的CVD方法,以硼源和鍶源作為源材料,在藍寶石基底上成功獲得了SrB6二維納米結構,這也很可能成為堿土金屬硼化物二維納米結構的另一種制備路線.

目前大多數關于堿土金屬硼化物的研究多集中在其單晶薄膜制備及其特性探索方面.例如:山東大學張琳研究小組[77]采用磁控濺射的方法,在SiO2基底上生長了CaB6薄膜;Dorneles等[78]采用脈沖激光沉積方法,在MgO(100)或Al2O3(001)基底上生長出了厚度為12 nm的CaB6和SrB6薄膜;Kato研究組[79]采用激光MBE法,在單晶α-Al2O3(0001)襯底上制備出了SrB6(100)的薄膜.這些堿土硼化物單晶薄膜的制備方法也可以對生長堿土硼化物二維納米材料提供一定的實驗參考.

3.2 堿土金屬硼化物二維納米材料的結構構型

二維堿土金屬硼化物的結構構型與二維硼烯結構存在明顯差異.在堿土金屬二維結構中,層與層之間的結合力為范德瓦耳斯力,硼原子與堿土金屬原子之間將呈現類似三明治型的結構構型.吉林大學Xie等[24]基于第一原理設計了一種MgB6二維納米結構.如圖9所示,這種二維結構由兩層硼原子和一層金屬Mg原子共同構成,呈現三明治型構型.一個MgB6的結構單元如圖9中的菱形所示,硼原子層為三角形構型或六邊形構型,而堿土金屬原子層則為三角形構型,它們通過相互作用形成一種穩定的結構.與硼烯的結構構型研究相比,堿土金屬硼化物二維材料的結構構型研究還十分有限[28,80].

圖9 MgB6納米二維結構和摻Ca吸附H2示意圖[24]Fig.9.The structure of MgB6and H2chemical adsorption on Ca-decorated MgB6[24].

總體上,目前二維堿土金屬硼化物納米結構的制備方法還非常稀少,而高質量、大面積的單晶二維結構的制備工藝對于廣大研究者來講仍然是一個嚴峻的考驗.堿土金屬硼化物二維納米結構的摻雜的實驗和理論研究則更為稀少,這對其實際的器件研究也形成了極大的阻礙.對于未來與Si工藝兼容應用角度考慮,CVD方法應該在二維硼基納米結構制備及其摻雜工藝上更有優勢.

4 硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的性質及應用

硼烯和二維堿土金屬硼化物二維結構很可能擁有超高的電子遷移率、高熔點、高的負泊松比、以及高楊氏模量和高的化學穩定性[20,31,32,34?36,81?88],因此在鋰離子電池、光催化、超導、儲能和光電探測等多個領域都具有巨大的應用潛力.

4.1 鋰離子電池和鈉離子電池

由于具有較高的能量密度和多次的循環壽命等優點,鋰離子和鈉離子電池一直受到廣泛關注.人們嘗試采用很多方法來不斷提高鋰、鈉電池的能量密度和循環壽命,進而尋求其在實際應用領域中新的突破,而使用具有優異的電學性質的二維納米材料很可能會為鋰、鈉電池帶來超高的能量密度,因此被視為最有發展前途的研究方向[80,89,90].

由于在其他電池陽極材料中摻雜硼可以大幅提高其能量密度[90?93],因此研究者們也開展了硼烯作為鋰、鈉離子電池陽極的研究.香港科技大學Zhao課題組[35]采用第一原理計算了硼烯作為鋰離子電池陽極材料的可行性.研究結果表明:硼烯對鋰原子的吸收能達到了?1.12 eV,其數值可以充分保障硼烯的鋰化過程的穩定性;同時,他們還發現完全鋰離子化后的硼烯為Li0.75B構型,理論能量密度最大可以達到1860 mA·h/g.此外,新加坡科技大學Yang小組也研究了β12和χ3相的硼烯作為鋰離子和鈉離子電池陽極材料的可行性[34].他們發現在使用硼烯作為陽極材料后,鋰離子和鈉離子電池的能量密度分別達到了1984和1240 mA·h/g,這比商用的石墨烯陽極材料的電池能量密度(372 mA·h/g)增大了4—5倍.并且,以硼烯作為陽極,其在褶皺溝槽方向上的勢壘僅為2.6 meV(圖10)[35],也遠低于其他具有優良特性的磷烯(80 meV)和Ti3C2(70 meV)等二維納米材料,這意味著以硼烯作為陽極材料的鋰離子和鈉離子電池應該具有更快的鋰離子或鈉離子擴散能力.鋰離子和鈉離子在硼烯中的傳導具有各向異性,其在垂直褶皺溝槽方向上的勢壘為325.1 meV,遠大于褶皺溝槽方向上的勢壘.瑞典烏普薩拉大學的Jena等[94]將全氫化的硼烯結構(borophane)作為陽極,研究結果表明,使用了全氫化硼烯陽極的鋰離子和鈉離子電池的最大能量密度高達504 mA·h/g.盡管這個計算結果要比硼烯的理論能量密度小很多,但卻明顯高于商用的石墨烯鋰電池(372 mA·h/g).江蘇大學的Rao課題組[95]也通過密度泛函理論和第一性原理分別計算了硼烯作為金屬離子電池(Li,Na,K,Mg,Al)陽極材料的性質.通過計算發現:將硼烯作為陽極,鋰電池的最大能量密度可以達到3306 mA·h/g,在室溫下的電池充電電壓僅為1.46 V,硼烯中Li離子的擴散速率要比石墨烯高兩萬倍.上述的研究結果暗示著具有高鋰或鈉離子擴散速率和表面各向異性特性的硼烯在高品質的鋰離子或鈉離子陽極材料應用領域具有巨大的發展潛力.

圖10 鋰離子的擴散勢壘及擴散方向示意圖[35]Fig.10.The schematic diagram of lithium diffusion potential barrier and diffusion direction[35].

4.2 高速、低功耗型納米電子器件

前期的研究表明β12相和χ3相的硼烯的邊緣部分在被氧化后,其表面構型將會相應發生變化而趨于穩定[30].既然硼烯的氧化過程會終止于邊緣結構,因此硼烯就會在空氣中表現出良好的抗氧化性,這可使其與大規模集成電路中Si基納米器件的制作工藝更為兼容.

昆士蘭科技大學的Du和太原理工大學的Xu研究小組[18]利用第一性原理開展了表面H摻雜硼烯的物性研究工作.通過計算發現在全氫化的硼烯的費米速度可達3.5×106m/s,這要比石墨烯(8.2×105m/s)材料高約4倍.同時,全氫化的硼烯還具有非常優異的力學特性表現,它在a軸和b軸上的楊氏模量分別達到了190和120 GPa·nm.由于全氫化的硼烯表現出超高的費米速度以及優良的力學性能,因此其在高速、低功耗的納電子器件上具有潛在的應用前景.

昆士蘭大學Kou課題組[96]利用第一原理研究了γ-B28相硼烯的物理特性.他們發現雖然較厚的二維硼烯的表面帶隙很小,但是表面能隙可以在外加應力作用下發生變化,從而使材料導電類型實現從金屬到半導體的轉變.在這種情況下,研究者可以通過改變外加應力來有效調控二維硼烯的電子遷移率.由于硼烯具有壓力可控的帶隙結構和較高的電子遷移率,因此它在壓敏和光敏器件領域也存在一定的應用可能性.

4.3 儲氫器件

通過表面的金屬原子修飾,硼烯和二維堿土金屬硼化物結構很可能具有良好的儲氫能力[97].利用密度泛函理論,南京大學Liu小組[98]發現:表面Li原子修飾后的準平面B36團簇結構具有良好的儲氫能力.團簇中,1個Li原子可以吸附3個H2分子,并且在室溫下也能夠保持穩定的吸附能力;四川大學Zhang等[99]也對表面Li原子修飾后的硼烯的儲氫能力進行了研究.他們發現:硼烯的兩側表面在經過表面Li原子修飾后,1個Li原子可以吸附4個H2分子,其表面具有最高13.7 wt%的儲氫能力.同時,其表面的平均吸附能達到了0.176 eV,即使在室溫下其儲氫能力也可以達到9.1 wt%,這相比單純的硼烯結構有了大幅提升.除使用Li原子修飾外,研究者們還研究了表面Ca原子修飾后的硼烯的儲氫能力.中南大學的Wang課題組[100]利用第一原理進行計算,結果表明在使用Ca原子修飾硼烯表面之后,一個Ca原子最大可以吸附6個H2分子,結合能在0.20—0.32 eV,儲氫能也達到了12.68 wt%;而對氫化的MgB6二維納米材料的研究[24]也表明,二維硼氫結構的表面在經過Ca原子修飾后,一個Ca原子可以吸引多達5個H2分子(圖9),同時Ca與H原子的平均結合能達到了0.225 eV,這表明這種二維納米結構在室溫下具有成為優良的儲氫材料的潛質.除此之外,理論上預測其他的一些堿土金屬(如Mg,Ca,Sr,Ba等)硼化物也同樣擁有不錯的儲氫能力[101?103].

4.4 其他應用領域

與其他硼的同素異形體不同,硼烯不僅在大氣壓下呈現金屬特性或半導體性質,而且在高壓下又可以實現超導,同時磁性元素摻雜后的二維硼烯結構還具有可調的磁性、光學和催化特性等[37].此外,堿土金屬硼化物的二維納米材料(如MgB2,MgB6,CaB6,SrB6和BaB6)也具有許多優異的物理特性[28,74,76,80,104?106],如對可見光和近紅外光的高吸收率、高電子遷移率、優良的力學特性和獨特的表面量子特性等[28,74,76,80,104,105],因此在光探測、信息存儲以及探索馬約拉納費米子和外爾半金屬等前沿科學問題等方面都具有很好的應用前景.

5 總結與展望

作為新興的二維納米材料,硼烯和堿土金屬硼化物二維納米結構很可能擁有高電子遷移率、高費米速度、高的楊氏模量、高度各向異性、大的負泊松比和強的抗氧化性等優良特性,因此吸引了國內外研究者的普遍關注.

本文對現有硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的制備和摻雜工藝進行了對比和總結,發現目前大多數研究都是圍繞硼烯薄膜以及堿土金屬硼化物二維納米結構的理論構型開展,而關于大面積高質量二維納米材料的制備工藝研究十分有限.此外,硼基二維納米器件的制作工藝和器件特性研究也一直未能開展.這些技術及研究工作的缺失對二維硼基納米材料在納米電子器件上的應用非常不利,因此對廣大研究者提出了很大的挑戰.同時從它們的結構構型和表面特性角度進行綜合考慮,我們認為硼烯和二維堿土金屬硼化物在高速低功耗納米電子器件、鋰離子或鈉離子電池、壓敏器件和催化等領域都存在潛在的應用前景.此外,如果進一步開展硼烯和二維堿土金屬硼化物的表面和界面特性及其物理機制的研究也會對凝聚態物理前沿科學問題的研究探索起到很好的促進作用.

現代信息光電技術基于集成電路,而集成電路芯片多使用硅基互補型金屬氧化物半導體技術,因此為了更好地推進硼烯及堿土金屬硼化物二維材料的實際應用,也必須加速其與現代硅技術的緊密結合.但是硼基納米材料與硅工藝融合所面臨的挑戰還有很多,例如:如何在Si襯底上直接生長高質量的二維硼基納米材料,如何將在其他襯底制備的硼烯轉移至硅襯底,如何實現硼基二維納米結構的圖案化,以及如何結合硅的微加工工藝制作不同功能的納米電子器件等.但是由于B原子和Si原子在周期表上彼此毗鄰,而且B原子與C原子的特性又十分接近,因此可以期望硼基二維材料的研究很可能與Si技術具有良好的兼容性.當然,這些關鍵技術問題的解決也直接決定了硼烯和堿土金屬硼化物未來的發展,因此希望引起研究者的重點關注.

[1]Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,Jiang D,Zhang Y,Dubonos S V,Grigorieva I V,Firsov A A 2004Science306 666

[2]Mayorov A S,Gorbachev R V,Morozov S V,Britnell L,Jalil R,Ponomarenko L A,Blake P,Novoselov K S,Watanabe K,Taniguchi T,Geim A K 2011Nano Lett.11 2396

[3]Nair R R,Blake P,Grigorenko A N,Novoselov K S,Booth T J,Stauber T,Peres N M,Geim A K 2008Science320 1308

[4]Lee C,Wei X,Kysar J W,Hone J 2008Science321 385

[5]Balandin A A 2011Nat.Mater.10 569

[6]Palmer D J 2006Mater.Today9 13

[7]Cai L,Wang H P,Yu G 2016Prog.Phys.36 21(in Chinese)[蔡樂,王華平,于貴 2016物理學進展 36 21]

[8]Huo N J,Yang Y J,Li J B 2017J.Semicond.38 031002

[9]Bhimanapati G R,Lin Z,Meunier V,Jung Y,Cha J,Das S,Xiao D,Son Y,Strano M S,Cooper V R,Liang L,Louie S G,Ringe E,Zhou W,Kim S S,Naik R R,Sumpter B G,Terrones H,Xia F,Wang Y,Zhu J,Akinwande D,Alem N,Schuller J A,Schaak R E,Terrones M,Robinson J A 2015ACS Nano9 11509

[10]Grazianetti C,Cinquanta E,Molle A 20162D Mater.3 012001

[11]Bianco E,Butler S,Jiang S,Restrepo O D,Windl W,Goldberger J E 2013ACS Nano7 4414

[12]Balendhran S,Walia S,Nili H,Sriram S,Bhaskaran M 2015Small11 640

[13]Camilli L,Sutter E,Sutter P 20142D Mater.1 025003

[14]Kamal C,Ezawa M 2015Phys.Rev.B91 085423

[15]Zhang S,Yan Z,Li Y,Chen Z,Zeng H 2015Angew.Chem.Int.Ed.Engl.54 3112

[16]Mannix A J,Zhou X F,Kiraly B,Wood J D,Alducin D,Myers B D,Liu X,Fisher B L,Santiago U,Guest J R,Yacaman M J,Ponce A,Oganov A R,Hersam M C,Guisinger N P 2015Science350 1513

[17]Li L,Yu Y,Ye G J,Ge Q,Ou X,Wu H,Feng D,Chen X H,Zhang Y 2014Nat.Nanotechnol.9 372

[18]Xu L C,Du A,Kou L 2016Phys.Chem.Chem.Phys.18 27284

[19]Feng B,Zhang J,Zhong Q,Li W,Li S,Li H,Cheng P,Meng S,Chen L,Wu K 2016Nat.Chem.8 563

[20]Lherbier A,Botello-Mendez A R,Charlier J C 20162D Mater.3 045006

[21]Jiao Y,Ma F,Bell J,Bilic A,Du A 2016Angew.Chem.Int.Ed.Engl.55 10292

[22]Quhe R,Fei R,Liu Q,Zheng J,Li H,Xu C,Ni Z,Wang Y,Yu D,Gao Z,Lu J 2012Sci.Rep.2 853

[23]Ye M,Quhe R,Zheng J X,Ni Z Y,Wang Y Y,Yuan Y K,Tse G,Shi J J,Gao Z X,Lu J 2014Phys.E:Low-Dimensional Syst.Nanostruct.59 60

[24]Xie S Y,Li X B,Tian W Q,Chen N K,Wang Y,Zhang S,Sun H B 2015Phys.Chem.Chem.Phys.17 1093

[25]Okatov S V,Ivanovskii A L,Medvedeva Y E,Medvedeva N I 2001Phys.Status Solidi B225 R3

[26]Ackland K,Venkatesan M,Coey J M D 2012J.Appl.Phys.111 07A322

[27]Zhang L,Liu H H,Liu L J,Zhao G Q,Wu Y,Min G H 2017J.Inorganic Mater.32 555

[28]Gan L Y,Wang R,Jin Y J,Ling D B,Zhao J Z,Xu W P,Liu J F,Xu H 2017Phys.Chem.Chem.Phys.19 8210

[29]Tai G,Hu T,Zhou Y,Wang X,Kong J,Zeng T,You Y,Wang Q 2015Angew.Chem.Int.Ed.Engl.54 15473

[30]Feng B J,Zhang J,Zhong Q,Li W B,Li S,Li H,Cheng P,Meng S,Chen L,Wu K H 2016Nat.Chem.8 563

[31]Feng B,Sugino O,Liu R Y,Zhang J,Yukawa R,Kawamura M,Iimori T,Kim H,Hasegawa Y,Li H,Chen L,Wu K,Kumigashira H,Komori F,Chiang T C,Meng S,Matsuda I 2017Phys.Rev.Lett.118 096401

[32]Zhao Y C,Zeng S M,Ni J 2016Appl.Phys.Lett.108 242601

[33]Zhang H,Li Y,Hou J,Du A,Chen Z 2016Nano Lett.16 6124

[34]Zhang X,Hu J,Cheng Y,Yang H Y,Yao Y,Yang S A 2016Nanoscale8 15340

[35]Jiang H R,Lu Z H,Wu M C,Ciucci F,Zhao T S 2016Nano Energy23 97

[36]Lopez-Bezanilla A,Littlewood P B 2016Phys.Rev.B93 241405

[37]Li W L,Jian T,Chen X,Chen T T,Lopez G V,Li J,Wang L S 2016Angew.Chem.Int.Ed.Engl.55 7358

[38]Liu F,Tian J F,Bao L H,Yang T Z,Shen C M,Lai X Y,Xiao Z M,Xie W G,Deng S Z,Chen J,She J C,Xu N S,Gao H J 2008Adv.Mater.20 2609

[39]Liu F,Gan H B,Tang D M,Cao Y Z,Mo X S,Chen J,Deng S Z,Xu N S,Golberg D,Bando Y 2014Small10 685

[40]Liu F,Shen C M,Su Z J,Ding X L,Deng S Z,Chen J,Xu N S,Gao H J 2010J.Mater.Chem.20 2197

[41]Xie S S,Chen H,Solodkyi I,Vasylkiv O,Tok A I Y 2015Scr.Mater.99 69

[42]Zhou M Y,Liu C S,Yan X H 2015J.Appl.Phys.117 114307

[43]Zhou X F,Oganov A R,Shao X,Zhu Q,Wang H T 2014Phys.Rev.Lett.113 176101

[44]Zhang Z,Mannix A J,Hu Z,Kiraly B,Guisinger N P,Hersam M C,Yakobson B I 2016Nano Lett.16 6622

[45]Ni G X,Zheng Y,Bae S,Kim H R,Pachoud A,Kim Y S,Tan C L,Im D,Ahn J H,Hong B H,Ozyilmaz B 2012ACS Nano6 1158

[46]Wang Y,Zheng Y,Xu X F,Dubuisson E,Bao Q L,Lu J,Loh K P 2011ACS Nano5 9927

[47]Lock E H,Baraket M,Laskoski M,Mulvaney S P,Lee W K,Sheehan P E,Hines D R,Robinson J T,Tosado J,Fuhrer M S,Hernandez S C,Waltont S G 2012Nano Lett.12 102

[48]Bae S,Kim H,Lee Y,Xu X F,Park J S,Zheng Y,Balakrishnan J,Lei T,Kim H R,Song Y I,Kim Y J,Kim K S,Ozyilmaz B,Ahn J H,Hong B H,Iijima S 2010Nat.Nanotechnol.5 574

[49]Ago H,Kawahara K,Ogawa Y,Tanoue S,Bissett M A,Tsuji M,Sakaguchi H,Koch R J,Fromm F,Seyller T,Komatsu K,Tsukagoshi K 2013Appl.Phys.Express6 075101

[50]Ding X L,Liu X X,Huang Y Y,Zhang X F,Zhao Q J,Xiang X H,Li G L,He P F,Wen Z Y,Li J,Huang Y H 2016Nano Energy27 647

[51]Tsai H S,Hsiao C H,Lin Y P,Chen C W,Ouyang H,Liang J H 2016Small12 5251

[52]Mannix A J,Kiraly B,Hersam M C,Guisinger N P 2017Nat.Rev.Chem.1 0014

[53]Abanin D A,Levitov L S 2008Phys.Rev.B78 035416

[54]Jun Y W,Choi J S,Cheon J 2006Angew.Chem.Int.Ed.Engl.45 3414

[55]Fan L,Zou J,Li Z,Li X,Wang K,Wei J,Zhong M,Wu D,Xu Z,Zhu H 2012Nanotechnology23 115605

[56]Manzeli S,Ovchinnikov D,Pasquier D,Yazyev O V,Kis A 2017Nat.Rev.Mater.2 17033

[57]Zhang G,Wang J,Wu Z,Shi R,Ouyang W,Amini A,Chandrashekar B N,Wang N,Cheng C 2017ACS Appl.Mater.Interfaces9 763

[58]Oganov A R,Chen J,Gatti C,Ma Y,Ma Y,Glass C W,Liu Z,Yu T,Kurakevych O O,Solozhenko V L 2009Nature457 863

[59]Kunstmann J,Quandt A 2006Phys.Rev.B74 035413

[60]Evans M H,Joannopoulos J D,Pantelides S T 2005Phys.Rev.B72 045434

[61]Li W L,Chen Q,Tian W J,Bai H,Zhao Y F,Hu H S,Li J,Zhai H J,Li S D,Wang L S 2014J.Am.Chem.Soc.136 12257

[62]Li W L,Zhao Y F,Hu H S,Li J,Wang L S 2014Angew.Chem.Int.Ed.Engl.53 5540

[63]Piazza Z A,Hu H S,Li W L,Zhao Y F,Li J,Wang L S 2014Nat.Commun.5 3113

[64]Fowler J E,Ugalde J M 2000J.Phys.Chem.A104 397

[65]Huang W,Sergeeva A P,Zhai H J,Averkiev B B,Wang L S,Boldyrev A I 2010Nat.Chem.2 202

[66]Popov I A,Piazza Z A,Li W L,Wang L S,Boldyrev A I 2013J.Chem.Phys.139 144307

[67]Boustani I 1997Phys.Rev.B55 16426

[68]Liu Y,Penev E S,Yakobson B I 2013Angew.Chem.Int.Ed.Engl.52 3156

[69]Zhang Z,Yang Y,Gao G,Yakobson B I 2015Angew.Chem.Int.Ed.Engl.54 13022

[70]Yuan J H,Zhang L W,Liew K M 2015RSC Adv.5 74399

[71]Zhang Z H,Yang Y,Penev E S,Yakobson B I 2017Adv.Funct.Mater.27 1605059

[72]Xu S G,Zhao Y J,Liao J H,Yang X B,Xu H 2016Nano Res.9 2616

[73]Piazza Z A,Popov I A,Li W L,Pal R,Zeng X C,Boldyrev A I,Wang L S 2014J.Chem.Phys.141 034303

[74]Bao L H,Qi X P,Tana,Chao L M,Tegus O 2016CrystEngComm18 1223

[75]Das S K,Bedar A,Kannan A,Jasuja K 2015Sci.Rep.5 10522

[76]Tynell T,Aizawa T,Ohkubo I,Nakamura K,Mori T 2016J.Cryst.Growth449 10

[77]Liu H H,Zhang L,Zhao G Q,Feng G,Min G H 2015Ceram.Int.41 7745

[78]Dorneles L S,Venkatesan M,Moliner M,Lunney J G,Coey J M D 2004Appl.Phys.Lett.85 6377

[79]Kato Y,Shiraishi N,Tsuchimine N,Kobayashi S,Yoshimoto M 2010J.Cryst.Growth312 378

[80]Stankiewicz J,Rosa P F S,Schlottmann P,Fisk Z 2016Phys.Rev.B94 125141

[81]Kou L,Ma Y,Tang C,Sun Z,Du A,Chen C 2016Nano Lett.16 7910

[82]Padilha J E,Miwa R H,Fazzio A 2016Phys.Chem.Chem.Phys.18 25491

[83]Massote D V P,Liang L B,Kharche N,Meunier V 2016Phys.Rev.B94 195416

[84]Sun H,Li Q,Wan X G 2016Phys.Chem.Chem.Phys.18 14927

[85]Wang H F,Li Q F,Gao Y,Miao F,Zhou X F,Wan X G 2016New J.Phys.18 073016

[86]Zabolotskiy A D,Lozovik Y E 2016Phys.Rev.B94 165403

[87]Pang Z Q,Qian X,Wei Y J,Yang R G 2016EPL116 36001

[88]Spear J C,Ewers B W,Batteas J D 2015Nano Today10 301

[89]Mortazavi B,Dianat A,Rahaman O,Cuniberti G,Rabczuk T 2016J.Power Sources329 456

[90]Hardikar R P,Das D,Han S S,Lee K R,Singh A K 2014Phys.Chem.Chem.Phys.16 16502

[91]Huang S Z,Zhang L L,Zhu J L,Jiang S P,Shen P K 2016J.Mater.Chem.A4 14155

[92]Meng W,Wen L N,Song Z H,Cao N,Qin X 2017J.Solid State Electrochem.21 665

[93]Wang M,Yang Y,Yang Z Z,Gu L,Chen Q W,Yu Y 2017Adv.Sci.4 1600468

[94]Jena N K,Araujo R B,Shukla V,Ahuja R 2017ACS Appl.Mater.Interfaces9 16148

[95]Rao D W,Zhang L Y,Meng Z S,Zhang X R,Wang Y H,Qiao G J,Shen X Q,Xia H,Liu J H,Lu R F 2017J.Mater.Chem.A5 2328

[96]Kou L,Ma Y,Zhou L,Sun Z,Gu Y,Du A,Smith S,Chen C 2016Nanoscale8 20111

[97]Shi L,Ling C Y,Ouyang Y X,Wang J L 2017Nanoscale9 533

[98]Liu C S,Wang X F,Ye X J,Yan X H,Zeng Z 2014J.Chem.Phys.141 194306

[99]Li L L,Zhang H,Cheng X L 2017Comput.Mater.Sci.137 119

[100]Wang J C,Du Y,Sun L X 2016Int.J.Hydrogen Energy41 5276

[101]Tayran C,Aydin S,Cakmak M,Ellialtioglu S 2016Comput.Mater.Sci.124 130

[102]Sahle C J,Sternemann C,Giacobbe C,Yan Y G,Weis C,Harder M,Forov Y,Spiekermann G,Tolan M,Krisch M,Remhof A 2016Phys.Chem.Chem.Phys.18 19866

[103]Ramanan B A 2017J.Mol.Struct.1131 171

[104]Kolmogorov A N,Shah S,Margine E R,Kleppe A K,Jephcoat A P 2012Phys.Rev.Lett.109 075501

[105]Li X,Huang X L,Duan D F,Wu G,Liu M K,Zhuang Q,Wei S L,Huang Y P,Li F F,Zhou Q,Liu B B,Cui T 2016Rsc.Adv.6 18077

[106]Hudson Z M,Wang S 2009Acc.Chem.Res.42 1584

PACS:77.84.Bw,71.20.Dg,81.07.–b,61.48.–c DOI:10.7498/aps.66.217702

*Project supported by the National Basic Research Program of China(Grant No.2013CB933601),the Special Foundation of State Major Scienti fi c Instrument and Equipment Development of China(Grant No.2013YQ12034506),the Natural Science Foundation of Guangdong Province,China(Grant No.2016A030313313),the Scienti fi c Research Staring Foundation for the Returned Overseas Chinese Scholars,Ministry of Education of China(Grant No.[2014]1685),the Fundamental Research Funds for the Central Universities,China(Grant No.111gzd05),and the State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technology Independent Subject(Grant No.OEMT-2015-RC-05).

#These authors contributed equally.

?Corresponding author.E-mail:liufei@mail.sysu.edu.cn

Preparation,structure configuration,physical properties and applications of borophene and two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials?

Guo Ze-Kun#Tian Yan#Gan Hai-Bo Li Zi-Juan Zhang Tong Xu Ning-Sheng Chen Jun Chen Huan-Jun Deng Shao-ZhiLiu Fei?

(Guangdong Key Laboratory of Display Materials and Technologies,State Key Laboratory of Optoelectronic Materials and Technology,School of Electronics and Information Technology,Sun Yat-sen University,Guangzhou 510275,China)

d 12 September 2017;revised manuscript

10 October 2017)

With the rise of graphene,two-dimensional nanomaterials have been signifi cantly developed in recent years.As novel two-dimensional nanostructures,borophene and alkaline-earth metal boride two-dimensional materials have received much attention because of their unique physical and chemical properties,such as high Fermi velocities,high electron mobilities,large Young’s moduli,high transparencies,negative Poisson’s ratios and high chemical stabilities.This paper focuses on the researches of the fabrication techniques,structure configurations,properties and applications of borophene and two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials.Firstly,the current preparation methods and structure configurations of borophene are summarized.Secondly,the possible structures and fabrication techniques of two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials are introduced in detail.Thirdly,the physical properties of borophene and two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials are investigated.Finally,the most promising application areas of borophene and two-dimensional alkaline-earth metal boride nanomaterials in the future are predicted.

borophene,two-dimensional alkaline-earth metal boride nanostructures,fabrication technique,structure configuration

隨著石墨烯研究的興起,二維納米材料得以迅速發展.在眾多的二維納米材料中,硼烯和堿土金屬硼化物二維材料由于具有高費米速度、高楊氏模量、高透光性、高延展性、高度的各向異性、大的泊松比和高的化學穩定性等獨特的性質,成為研究人員關注的焦點.本文側重介紹目前硼烯和堿土金屬硼化物二維納米材料的制備工藝、結構、物性和應用情況.首先總結了目前硼烯的主要結構構型和制備及摻雜工藝;其次介紹了堿土金屬硼化物二維納米材料的理論結構構型和可能的制備路線;最后對硼烯和二維堿土金屬硼化物納米材料的物理特性進行歸納總結,同時預測它們未來最可能實現應用的領域.

10.7498/aps.66.217702

?國家重點基礎研究發展計劃(批準號:2013CB933601)、國家重大科學儀器設備開發專項(批準號:2013YQ12034506)、廣東省自然科學基金(批準號:2016A030313313)、教育部留學回國人員科研啟動基金(批準號:教外司留[2014]1685號)、中央高校基本科研業務費專項資金(批準號:111gzd05)和光電材料與技術國家重點實驗室自主課題(批準號:OEMT-2015-RC-05)資助的課題.

#共同第一作者.

?通信作者.E-mail:liufei@mail.sysu.edu.cn

?2017中國物理學會Chinese Physical Society