美中科學(xué)家成功驗(yàn)證硼墨烯的可行性

美中科學(xué)家成功驗(yàn)證硼墨烯的可行性

美國(guó)布朗大學(xué)與中國(guó)清華大學(xué)的科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)元素周期表中5號(hào)化學(xué)元素硼也可能形成類似石墨烯的單層平面原子結(jié)構(gòu)，并將其稱之為硼墨烯。最近，該論文已發(fā)表在《自然·通信》雜志上。

石墨烯被譽(yù)為神奇材料，其碳原子排列成六邊形，呈蜂窩環(huán)狀結(jié)構(gòu)，因其強(qiáng)度比鋼還要大、導(dǎo)電性能比銅好，引起人們高度重視，認(rèn)為其能夠徹底變革納米技術(shù)和電子技術(shù)。

隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家開始探索在周期表上與碳相鄰的硼是否也能形成單原子層平面結(jié)構(gòu)。由于硼比碳少一個(gè)電子，因此不可能像碳一樣形成蜂窩狀的類石墨烯。理論上，硼若形成單原子層平面結(jié)構(gòu)，其原子須排列成為三角形，中間并會(huì)形成六邊形的空穴。不過這個(gè)理論推測(cè)尚未有人證實(shí)。

布朗大學(xué)王來(lái)生教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組利用光電子能譜技術(shù)研究硼原子團(tuán)簇的性能。研究人員首先利用激光來(lái)轟擊硼靶，以產(chǎn)生硼原子蒸氣，然后利用氦氣冷卻硼原子蒸氣，形成了微小的原子團(tuán)簇。隨后再利用另外一束激光從團(tuán)簇上打出光電子，讓其沿著被稱為“電子賽道”的長(zhǎng)管飛行。電子沿著“電子賽道”飛行的速度，可用于確定團(tuán)簇的電子結(jié)合能量頻譜，又叫光電子能譜，而光電子能譜可作為團(tuán)簇結(jié)構(gòu)獨(dú)一無(wú)二的電子結(jié)構(gòu)特征。

研究人員發(fā)現(xiàn)，36個(gè)硼原子可形成對(duì)稱性相當(dāng)高的六邊形單原子層平面結(jié)構(gòu)，其正中間有一個(gè)完美的六邊形空穴。這表明，先前關(guān)于硼單原子層平面結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算是正確的。實(shí)驗(yàn)表明，硼36團(tuán)簇十分特別，相對(duì)于其他硼團(tuán)簇，其電子結(jié)合能非常低。團(tuán)簇的光電子能譜的形狀表明，它具有一個(gè)非常對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。

清華大學(xué)化學(xué)系李雋教授曾提出一種新穎的理論方法，可確定團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性。為此,布朗大學(xué)和清華大學(xué)合作，利用超級(jí)計(jì)算機(jī)搜索硼36的結(jié)構(gòu)并計(jì)算其電子結(jié)合能譜，發(fā)現(xiàn)計(jì)算得到的具有六邊形缺孔的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，其理論模擬的光譜與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非常吻合。

硼36結(jié)構(gòu)的制備成功證實(shí)了六邊形空穴在穩(wěn)定二維硼墨烯的重要作用，進(jìn)一步說明這種硼墨烯可能在適當(dāng)?shù)臈l件下被制備出來(lái)。由于硼—硼鍵非常強(qiáng)，類似于碳—碳鍵，所以硼墨烯可能會(huì)有非常美好的應(yīng)用前景。硼資源豐富，且原子量低、質(zhì)量輕，經(jīng)濟(jì)性好，而其電學(xué)性能可能更好。由于硼的特殊電子結(jié)構(gòu)，科學(xué)家預(yù)計(jì)硼墨烯會(huì)是金屬，因此硼墨烯可能會(huì)是一個(gè)很好的導(dǎo)體。科學(xué)家認(rèn)為，這一發(fā)現(xiàn)有可能開發(fā)出一種全新的納米材料。