進展 | 實驗可控合成有序的準一維硼烯鏈混合相

2020-11-08 中科院物理所

單元素二維材料，由於具有重要的物理性質以及在納米電子器件中有較大的應用潛力而受到關注。硼烯（borophene）是指由硼元素構成的二維平面結構，理論上認為有著不輸於石墨烯的優良物理特性如金屬性、高機械柔性、高導熱性等，並且有可能具有狄拉克電子、超導等量子特性。由於硼原子相對於碳原子缺少一個價電子，使得硼原子之間的化學鍵較為複雜，所形成的平面結構是以三角形密堆積晶格為基礎的孔洞型結構，而根據孔洞不同的排列方式，導致了多樣化的硼烯原子結構。2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面實驗室SF9組吳克輝研究員、陳嵐研究員、馮寶傑博士等率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進行單原子層構築的方法，在Ag(111)襯底上獲得了這種理論上期待已久的單層硼烯，並發現硼烯的多種純相，對應於三角晶格中不同周期的孔洞結構（Nature Chem. 8, 564 (2016)）。與此同時，他們還發現這些不同的硼烯純相本質上是由不同寬度的準一維硼鏈組成。那麼直覺上如果將這些不同種類的準一維硼鏈作為構建單元進行有序混合，就有可能構建出全新的人工硼烯相。不僅可以豐富硼烯結構的多樣性，還可能構築出具有新奇量子特性的二維硼結構，豐富其物理性質。

基於此啟發，吳克輝研究員和陳嵐研究員指導博士研究生王宇、孔龍娟等人，繼續深入開展硼烯原子結構的可控制備研究。最近，他們利用分子束外延（MBE）方法，在Ag(100)單晶表面成功獲得了不同的硼烯長程有序相結構。他們發現，實驗中獲得的兩種硼烯相是由兩種不同種類的硼鏈[(2,3)鏈和(2,2)鏈]通過不同的固定比例混合而成的長程有序相，並且這兩種不同鏈比的混合相可以根據襯底的晶體方向得到很好的分離。他們通過掃描隧道顯微鏡表徵並結合第一性原理計算，揭示了混合鏈相的形成機理。他們認為由於硼烯結構單元與Ag(100)表面界面相互作用的調製，其晶格匹配以及硼鏈相對於襯底的取向對這兩種混合相的形成起著至關重要的作用。尤其值得注意的是，獲得的長程混合相比硼烯的純相所承受的應變小，且與襯底的相互作用更弱，這表明它們可能表現出理論預測的獨立硼烯（無襯底支撐）的固有物理性質。

硼烯結構的多樣性使其成為一種很有希望實現物理或化學性質連續可調的材料體系。混合相的成功生長不但證實了硼烯結構的多樣性和可調性，更重要的是有望加深襯底定製合成硼烯的影響，為通過襯底調製製備新型硼烯相提供了一種有前景的方法。相關研究結果發表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202005128）。第一作者為博士研究生王宇，主要負責實驗生長和STM表徵。理論計算主要由SF9組的孔龍娟博士（已畢業，目前在南開大學做博士後）完成。

該項目得到了科技部、國家自然科學基金委、北京市自然科學基金和中國科學院先導專項的資助。

圖1：在Ag(100)襯底上利用MBE技術生長的單原子層厚度的混合相硼烯(a)是示意圖。（Advanced Materials 的Table of Contents圖）。(b-c)是Ag(100)上硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖（微分圖）。(d-f) 是三種硼烯相的高分辨掃描隧道顯微鏡圖。(g-i)是對應的三種硼烯相的原子結構模型，其中，A相(g)和C相(i)是典型的準一維原子鏈混合相結構。

編輯：槿知

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