日期：2021-08-31 來(lái)源：《中國(guó)科學(xué)報(bào)》
雙層硼烯的原子結(jié)構(gòu)。圖片來(lái)源：美國(guó)西北大學(xué)
美國(guó)工程師首次創(chuàng)造出一種原子平面的硼烯雙層結(jié)構(gòu)，這一壯舉挑戰(zhàn)了硼的自然傾向，即形成超出單原子層限制的非平面原子團(tuán)簇。這項(xiàng)研究8月26日發(fā)表于《自然—材料》。
盡管因極具潛力的電子特性而聞名，但硼烯—— 一種單原子層厚的硼薄片的合成仍具有挑戰(zhàn)性。與它的二維模擬材料石墨烯不同，硼烯不能從大塊硼上剝離，必須直接生長(zhǎng)在基質(zhì)上。
如果說(shuō)生長(zhǎng)一層是困難的，那么生長(zhǎng)多層硼烯似乎就是不可能的。由于大塊硼不像石墨那樣是分層的，在單原子層之外生長(zhǎng)硼會(huì)形成團(tuán)簇，而不是平面薄膜。
“當(dāng)你試圖長(zhǎng)出更厚的原子層時(shí)，可以利用硼的體積結(jié)構(gòu)。”西北大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心主任、該論文資深作者M(jìn)ark Hersam說(shuō)，“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子團(tuán)，而非保持原子平面。因此，關(guān)鍵是要找到阻止集群形成的生長(zhǎng)條件。一直以來(lái)，這一點(diǎn)很難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在，我們提供了一個(gè)新的平臺(tái)，進(jìn)入了單個(gè)原子層和主體之間的未知領(lǐng)域?！?/span>
Hersam與萊斯大學(xué)教授Boris Yakobson共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)工作。5年前，Hersam與合作者首次創(chuàng)造了硼烯，后者比石墨烯更強(qiáng)、更輕、更柔韌，有可能徹底改變電池、電子器件、傳感器、太陽(yáng)能電池和量子計(jì)算。盡管理論研究預(yù)測(cè)雙層硼烯是可能的，但包括Hersam在內(nèi)的許多研究人員都不相信。
“制造一種新材料是具有挑戰(zhàn)性的，即使理論研究預(yù)測(cè)了它的存在。”Hersam說(shuō)，“理論很難告訴你實(shí)現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)所需的合成條件?！?/span>
Hersam團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，合成條件的關(guān)鍵是培育材料所用的基質(zhì)。在這項(xiàng)研究中，Hersam和同事在平坦的銀基上培育硼烯。當(dāng)暴露在極高溫下時(shí)，銀聚集在原子級(jí)臺(tái)階之間，形成異常平坦的大梯級(jí)。
“我們?cè)谶@些大平臺(tái)上生長(zhǎng)硼烯，看到了第二層的形成?！盚ersam說(shuō)，“根據(jù)這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，我們有意將精力集中在這個(gè)方向?！?/span>
雙層材料保持了硼烯所有理想的電子性能，同時(shí)提供了新優(yōu)勢(shì)。例如，這種材料包括兩個(gè)原子層厚的薄片，它們之間有空間并連接在一起，可以儲(chǔ)存能量或化學(xué)物質(zhì)。
“理論預(yù)測(cè)表明，雙層硼烯是一種很有前途的電池材料。在兩層之間留出空間可以容納鋰離子?！盚ersam說(shuō)，其團(tuán)隊(duì)希望繼續(xù)增加硼烯層的厚度，或創(chuàng)建具有不同原子幾何形狀的雙層。（晉楠）
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