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物理所在二维硼(硼烯)的实验制备方面取得进展

   自石墨烯发现以来,二维材料受到了广泛关注,寻找类似石墨烯的新型二维晶体材料,并探索其特殊物理化学性质是当前一个令人关注的研究方向。二维材料性质各异,且易于调控和集成,其丰富多彩的电子态和物理效应为构筑新型的电子器件提供了新机遇。其中,单元素二维材料由于结构简单、易于分析和调控、可以视为模型化的二维晶体系统。在元素周期表中与碳元素性质接近的元素有同主族的硅、锗、锡等元素,也有与碳相邻的硼和磷。人们已经成功地制备出单原子层的硅烯、锗烯、锡烯等类石墨烯材料,但这些材料在空气中不能稳定存在。黑磷是磷的一种稳定的同素异形体,可以解理出纳米级厚度的薄层,近年来有研究组实现了基于少数层黑磷的场效应管,但由于原子级厚度的黑磷在空气中的稳定性差,目前尚未实现基于单原子层黑磷的电子器件。硼是元素周期表中的第5位元素,存在类似碳的sp2杂化轨道,具有短的共价键半径和多样化的价态,这些性质有利于形成低维的硼同素异形体,譬如硼纳米管、笼状结构、平面结构等。而平面结构的二维硼(也称硼烯, 即 borophene)可以视为这些低维结构的基本形态,其存在的可能性一直受到理论研究者的强烈关注。但实验上,由于硼是高熔点、低蒸汽压的材料,有效热蒸发温度超过2000摄氏度,直接进行热蒸发非常困难。此前制备硼的材料主要采取硼化物,易于引入杂质及复杂的化学过程。尽管理论上备受关注,但二维硼(硼烯)是否真实存在,实验上一直没有给出答案。

  最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态国家实验室(筹)表面室吴克辉研究组的博士生冯宝杰、钟青在吴克辉研究员、陈岚副研究员的指导下,率先利用超高真空分子束外延(MBE)直接进行单原子层构筑的方法,在Ag(111)衬底上获得了理论期待已久的单层硼烯。他们克服了硼难以蒸发的困难,利用国产材料,研制了高纯度、抗高温的特种石墨坩埚。再使用电子束加热坩埚,实现了超高温度下直接热蒸发硼单质。他们通过扫描隧道显微镜研究发现了两种硼烯单层结构,与理论上预言的,具有不同周期孔的三角形晶格(β12相和χ3相)相符。此外,他们还发现硼烯有相当稳定的抗氧化性,并且与衬底仅有较弱的相互作用,预示硼烯未来很有可能在器件上得到应用。论文的合作者物理所表面室孟胜研究组的博士研究生张进在李晖副研究员的指导下对二维硼体系进行了第一性原理研究,揭示了两种硼烯的结构,及其和衬底的相互作用、电荷分布等性质。

  实验上实现学术界期待已久的硼烯,为可能的基于硼烯的电子器件提供了诱人的前景。例如,体相的硼单质是半导体材料,而在理论上以及本研究中都已经验证硼烯具有金属性,并且受到其三角晶格中的不同空位排列结构的调制,有可能实现多样化的电子性质。目前已有跟进的理论预言,认为本研究所发现的两种硼烯有可能会出现明显的超导特性(arxiv.1602.02930以及Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00070 )。另外,硼烯具有一定的抗氧化性,有助于克服二维材料易被氧化而不稳定的缺点。硼烯较短的键长也会使其具备较好的机械性能。该工作已经被Nature Chemistry正式接收并出版(DOI: 10.1038/nchem.2491)。

  硼烯研究的实验进展引发了国际上广泛关注和竞争。此前,美国橡树岭国家实验室的研究者曾于2015年12月在Science上刊出了针对相同体系的独立类似工作(Science 350,1514(2015)),但他们的论文投稿时间为2015年7月27日,相对要晚于本研究的投稿时间(7月17日)。该工作也报道了两种硼烯结构,其中一种与本工作相符,但另一种结构不符,有待后续研究进一步比较验证。目前已有多个第三方发表的理论工作倾向支持本研究所发现的结果(如arxiv.1602.02930以及Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00070)。

  本项目得到科技部973课题(2012CB921703, 2013CB921702, 2013CBA01600), 基金委重点及面上项目 ( 11334011, 11322431, 11174344, 91121003), 以及中科院先导B类项目 ( XDB07020100)的支持。

图1 在Ag(111)衬底上利用MBE手段获得的单原子层厚度的硼烯岛。(a,d)是Ag(111)上两种硼烯岛的扫描隧道显微镜图。(b,e)是两种硼烯的高分辨扫描隧道显微镜图,(c,f)是两种硼烯的原子结构模型,其特征是三角晶格中的周期排列的空洞

    (物理所供稿)

 

  

 
 
 
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