图片来源：Northwestern University美国西北大学（Northwestern University）的工程师们首次成功制造了双层原子平面结构的硼烯（borophene）。这项研究打破了硼在单原子层限制之外形成非平面团簇的自然趋势。硼烯是一种单原子厚的硼薄片，其电子学性质很有前景，但单原子层硼烯的合成仍具有挑战性。它与同类的二维材料石墨烯不同的是，石墨烯可以使用像透明胶带这样简单的工具，从自身结构就是片层状的石墨上剥离，而硼烯不能用同样的方法从块状硼上剥下来。要想获得硼烯，通常需要让它直接生长在衬底（substrate）上。生长单层硼烯已经很困难，而生长多层原子平面结构的硼烯似乎是不可能的。这是由于块状硼不像石墨那样是层状的，超出单原子层的生长会导致形成团簇，而不是平面结构。“当你试图生长多层硼烯时，它会更倾向于形成它的体结构。”这项研究的共同作者，西北大学的 Mark C. Hersam 说，“尝试生长多层硼烯会导致形成团簇，而不是保持平面结构。所以我们的关键就是找到阻止团簇形成的生长条件。至今，我们都不认为能形成超过一层的硼烯。但现在，我们正在探索层与层之间形成的未知空间。”这项研究于8月26日发表在《自然-材料学》（Nature Materials）期刊上。Hersam 是西北大学麦考密克工程学院（McCormick School of Engineering）的材料科学与工程教授、材料研究科学与工程中心（Materials Research Science and Engineering Center）主任。他也是西北大学国际纳米技术研究所（Northwestern’s International Institute for Nanotechnology）和辛普森·奎雷研究所（Simpson Querrey Institute）的成员。Hersam 与莱斯大学（Rice University） Karl F. Hasselmann 工程系主席 Boris Yakobson 共同领导这项工作。五年前，Hersam 与合作者首次制造了硼烯。硼烯比石墨烯更强、更轻、更柔韧，有望给电池、电子产品、传感器、太阳能电池和量子计算带来革命性的变化。尽管理论研究表明制造双层硼烯是可能的，但包括 Hersam 在内的研究人员都不相信。“即使在理论上可行，制造一种新材料还是具有一定挑战性的。”Hersam 说，“理论通常不会告诉你实现这种新结构所需的综合条件。”Hersam 的研究团队发现，正确条件的关键是用来生长硼烯的衬底。在这项研究中，Hersam 和同事们在平面的银质衬底上培养了硼烯。当暴露在非常高的温度下时，银会在原子级台阶结构之间形成异常平坦的“梯田”。“当在这些巨大而平坦的‘梯田’上‘种植’硼烯时，我们看到了第二层的形成。”Hersam 说，“在无意间发现这个现象后，我们就开始有意关注这个方向。发现第二层结构的时候，其实我们当时并没有特意在寻找它。许多材料的发现都是以这种方式发生的，当你偶然发现一些意想不到的东西时，你必须抓住这个机会。”这种双层材料既保持了硼烯所有理想的电子学性能，又存在新的优点。例如，这种材料由两层原子层厚的薄片黏合在一起，中间有空间，可用来储存能量或化学物质。“有理论预测，双层硼烯是一种很有前途的电池材料。”Hersam 说，“层与层之间的空间提供了容纳锂离子的地方。”Hersam 的团队期望有更多其他研究人员因此受到启发，生长更厚的硼烯，或者创造出具有不同原子几何结构的双层硼烯。“钻石、石墨、石墨烯和碳纳米管都是同一种元素（碳）形成的不同结构。”Hersam 说，“硼具备与碳一样丰富的可能性。我们相信，我们仍处于二维硼时代的早期阶段。”原文链接：https://www.eurekalert.org/news-releases/926122
论文信息
【标题】Borophene synthesis beyond the single-atomic-layer limit
【作者】Xiaolong Liu, Qiucheng Li, Qiyuan Ruan, Matthew S. Rahn, Boris I. Yakobson & Mark C. Hersam
【摘要】Synthetic two-dimensional (2D) materials have no bulk counterparts and typically exist as single atomic layers due to substrate-stabilized growth. Multilayer formation, although broadly sought for structure and property tuning, has not yet been achieved in the case of synthetic 2D boron: that is, borophene. Here, we experimentally demonstrate the synthesis of an atomically well-defined borophene polymorph beyond the single-atomic-layer (SL) limit. The structure of this bilayer (BL) borophene is consistent with two covalently bonded α-phase layers (termed BL-α borophene) as evidenced from bond-resolved scanning tunnelling microscopy, non-contact atomic force microscopy and density functional theory calculations. While the electronic density of states near the Fermi level of BL-α borophene is similar to SL borophene polymorphs, field-emission resonance spectroscopy reveals distinct interfacial charge transfer doping and a heightened local work function exceeding 5 eV. The extension of borophene polymorphs beyond the SL limit significantly expands the phase space for boron-based nanomaterials.
