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雙層硼烯研制成功

2021-08-31 中國科學報 晉楠
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雙層硼烯的原子結構。圖片來源:美國西北大學

  美國工程師首次創造出一種原子平面的硼烯雙層結構,這一壯舉挑戰了硼的自然傾向,即形成超出單原子層限制的非平面原子團簇。這項研究8月26日發表于《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,必須直接生長在基質上。

  如果說生長一層是困難的,那么生長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硼會形成團簇,而不是平面薄膜。

  “當你試圖長出更厚的原子層時,可以利用硼的體積結構。”西北大學材料研究科學與工程中心主任、該論文資深作者Mark Hersam說,“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子團,而非保持原子平面。因此,關鍵是要找到阻止集群形成的生長條件。一直以來,這一點很難實現。現在,我們提供了一個新的平臺,進入了單個原子層和主體之間的未知領域。”

  Hersam與萊斯大學教授Boris Yakobson共同領導了這項工作。5年前,Hersam與合作者首次創造了硼烯,后者比石墨烯更強、更輕、更柔韌,有可能徹底改變電池、電子器件、傳感器、太陽能電池和量子計算。盡管理論研究預測雙層硼烯是可能的,但包括Hersam在內的許多研究人員都不相信。

  “制造一種新材料是具有挑戰性的,即使理論研究預測了它的存在。”Hersam說,“理論很難告訴你實現這種新結構所需的合成條件。”

  Hersam團隊發現,合成條件的關鍵是培育材料所用的基質。在這項研究中,Hersam和同事在平坦的銀基上培育硼烯。當暴露在極高溫下時,銀聚集在原子級臺階之間,形成異常平坦的大梯級。

  “我們在這些大平臺上生長硼烯,看到了第二層的形成。”Hersam說,“根據這個偶然的發現,我們有意將精力集中在這個方向。”

  雙層材料保持了硼烯所有理想的電子性能,同時提供了新優勢。例如,這種材料包括兩個原子層厚的薄片,它們之間有空間并連接在一起,可以儲存能量或化學物質。

  “理論預測表明,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。”Hersam說,其團隊希望繼續增加硼烯層的厚度,或創建具有不同原子幾何形狀的雙層。

  相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-021-01084-2

打印 責任編輯:閻芳
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