二維硼(硼烯)的成功實驗獲得

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，北京100871)

二維硼(硼烯)的成功實驗獲得

劉忠范

(北京大學化學與分子工程學院，北京大學納米化學研究中心，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。二維材料性質各異，且易于調控和集成，其豐富多彩的電子態和物理效應為構筑新型的電子器件提供了新機遇。其中，單元素二維材料由于結構簡單、易于分析和調控、可以視為模型化的二維晶體系統。除了石墨烯之外，人們已經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定存在，應用面臨困難。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，具有短的共價鍵半徑和多樣化的價態，這些性質有利于形成低維的硼同素異形體，譬如硼納米管、籠狀結構、平面結構等。而平面結構的二維硼(也稱硼烯，即borophene)可以視為這些低維結構的基本形態，其存在的可能性一直受到理論研究者的強烈關注。然而在實驗上，因為硼的高熔點、低蒸汽壓，有效熱蒸發溫度超過2000°C，直接熱蒸發非常困難。此前制備硼材料主要采取硼化物，易于引入雜質和復雜反應過程。因此盡管理論上備受關注，但二維硼(硼烯)是否真實存在？實驗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構模型，其特征是三角晶格中的周期排列的空洞。

最近，Nature Chemistry刊出了中國科學院物理研究所//北京凝聚態國家實驗室(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)直接進行單原子層構筑的方法，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的困難，使用電子束加熱自制高純石墨坩堝，實現了在超高真空中，超高溫度下直接熱蒸發硼單質。通過掃描隧道顯微鏡(STM)研究發現了兩種硼烯結構，與理論上預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，他們還發現硼烯有相當穩定的抗氧化性，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用。

理論學界期待已久的硼烯在實驗上合成成功，對將來可能的基于硼烯的應用提供了誘人的前景。硼烯結構中已經發現或者可能具備很多重要的特性。例如，體相的硼單質是半導體材料，而在理論上以及此研究都已經驗證硼烯具有金屬性，并且受到其三角晶格中的不同空位排列結構的調制，有可能實現多樣化的電子性質。目前已有跟進的理論預言，認為本工作所發現的兩種硼烯有可能會出現明顯的超導特性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定的缺點。硼烯較短的鍵長也會使其具備較好的機械性能。

硼烯研究領域受到國際廣泛關注和競爭。此前，美國橡樹嶺國家實驗室的研究者曾于2015年12月在Science上刊出了針對相同體系的獨立類似工作4，但他們的論文投稿時間為2015年7月27日，相對要晚于本研究的投稿時間(7月17日)。該工作也報道了兩種硼烯結構，其中一種與本工作相符，但另一種結構不符，有待后續研究進一步比較驗證。目前有多個第三方發表的理論工作2,3,5傾向支持本研究所發現的結果。

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