六方氮化硼的微觀結構及應用研究取得進展

2020-11-23 中國科學院

    6月27日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所信息功能材料國家重點實驗室在《自然-通訊》雜誌上在線發表了題為《利用等離子體處理將氫分離到六方氮化硼夾層氣泡中》（Isolating hydrogen in hexagonal boron nitride bubbles by a plasma treatment）的論文。該論文首次報導通過氫等離子體處理後的多層六方氮化硼（hBN）夾層中會捕獲氫氣並形成氣泡，氣泡大小可控且具有較高的熱學和化學穩定性，具有進一步應用於微納機電器件和儲氫的潛力。

　　h-BN是一種具有極高熱學和化學穩定性的寬帶隙二維原子晶體。與石墨烯類似，單層h-BN具有六角蜂窩網狀晶格結構和原子級平整的表面。多層h-BN的層與層之間依靠範德華力結合。上海微系統所研究人員發現如果將h-BN晶體置於氫氣等離子體中處理，其表面會形成微米級大小可控的氣泡。進一步測量發現h-BN晶體的層間堆疊形式以AA』方式為主，這種堆疊方式具有多孔對齊的特點。氫氣進入等離子體狀態後會產生大量的氫原子，這些氫原子可以克服h-BN電子云的阻擋，無損地穿透多層h-BN，並在其層間間隔處複合成為氫氣分子。由於二維h-BN能阻擋氣體分子通過，氫氣最終被限制在h-BN層間間隔處並最終形成氣泡。研究人員還發現採用這種等離子體工藝能夠成功將氫分子從氬氫混合氣中分離到h-BN夾層中形成氣泡，甚至可以從甲烷或者乙炔等碳氫化合物氣體中提取分離出氫氣。

　　研究人員還採用一臺低溫原子力顯微鏡對h-BN表面氣泡進行測量，發現原先飽滿的氣泡在溫度從34 K降至33 K的瞬間會突然消失，這一塌縮/膨脹過程可隨降溫/升溫過程反覆出現。該轉變溫度與氫氣的液化溫度點（33.18 K）一致，也間接證明了h-BN氣泡中確為氫氣。

　　該研究工作成功利用了h-BN的特殊微觀結構實現對氫元素的分離、提取及存儲，同時可控的微米級氣泡製備工藝也為基於二維原子晶體的微納機電器件及力學研究提供了全新的方案。

　　該研究工作由上海微系統所研究員王浩敏課題組、華中科技大學教授張道禮課題組、奧地利維也納大學教授Jannik Meyer課題組、日本國家材料科學研究所教授Takashi Taniguchi課題組及東南大學教授倪振華課題組合作完成。工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金面上項目、中科院先導B類和上海市自然科學基金的資助。論文的第一作者賀立為上海微系統所與華中科技大學聯合培養的博士研究生，王浩敏與張道禮為共同通訊作者。

　　論文連結

利用等離子體工藝將氫氣分離到六方氮化硼氣泡中

利用等離子體工藝從碳氫化合物中提取氫氣並封裝在h-BN層間隔處 

h-BN表面氫氣氣泡在33 - 34 K溫度變化中的膨脹/塌縮過程。刻度條尺寸: 3 μm

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