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工程师首次制造出双层硼酚
2021-09-01 10:09
来源:中国科学报
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  插图描述了双层硼酚的原子结构。在这张图中,所有的原子都是硼,粉色的硼原子特别参与了层间的键合。图片来源:西北大学

  美国西北大学的工程师首次创造出了一种原子平面的硼烯双层结构,这一壮举挑战了硼的自然倾向,即形成超出单原子层限制的非平面原子团簇。这项研究8月26日发表于《自然—材料》。

  尽管以其极具潜力的电子特性而闻名,但硼酚—— 一种单原子层厚的硼薄片的合成仍具有挑战性。与它的二维模拟材料石墨烯不同的是,硼烯不能仅仅从大块硼上剥离。石墨烯可以用透明胶带这样简单的东西从天生的层状石墨上剥离。相反,硼酚必须直接生长在基质上。

  如果说生长一层是困难的,那么生长多层原子平坦的硼酚似乎是不可能的。由于大块硼不像石墨那样是分层的,在单原子层之外生长硼会导致成簇而不是平面薄膜。

  “当你试图长出更厚的原子层时,可以利用硼的体积结构。”西北大学材料研究科学与工程中心主任、该论文资深作者Mark Hersam说,“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子团,而非保持原子平面。因此,关键是要找到阻止集群形成的生长条件。一直以来,这一点很难实现。现在,我们提供了一个新的平台,进入了单个原子层和主体之间的未知领域。”

  Hersam与莱斯大学教授Boris Yakobson共同领导了这项工作。五年前,Hersam和合作者首次创造了硼酚。硼酚比石墨烯更强、更轻、更柔韧,有可能彻底改变电池、电子器件、传感器、太阳能电池和量子计算。尽管理论研究预测双层硼酚是可能的,包括Hersam在内的许多研究人员都不相信。

  “制造一种新材料是具有挑战性的,即使理论研究预测了它的存在。”Hersam说,“理论很难告诉你实现这种新结构所需的合成条件。”

  Hersam的团队发现,正确条件的关键是培育材料所用的基质。在这项研究中,Hersam和同事在平坦的银基上培育硼酚。当暴露在非常高的温度下,银聚集在原子级台阶之间,形成异常平坦的大梯级。

  “当我们在这些大而平的平台上种植硼酚时,我们看到了第二层的形成,”Hersam说。根据这个偶然的发现,我们有意将精力集中在这个方向。许多材料的发现都是这样发生的,当你偶然发现一些意料之外的事物时,必须意识到这个机会。”

  双层材料保持了硼酚的所有理想的电子性能,同时提供了新的优势。例如,这种材料包括两层原子层厚的薄片,它们之间有空间连接在一起,可以用来储存能量或化学物质。

  “理论预测表明,双层硼烯是一种很有前途的电池材料。在两层之间留出空间可以容纳锂离子。”Hersam说,其团队希望继续增加更厚的硼烯层,或创建具有不同原子几何形状的双层。

  “钻石、石墨、石墨烯和碳纳米管都是基于一种不同几何形状的(碳)元素。”Hersam说,“硼的可能性似乎和碳一样多,如果不是更多的话。现在,我们仅处于二维硼传奇的早期阶段。” 中国科学报

 

 

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