科学家首次造出双层硼烯材料

2021-08-27 08:49  来源:科技日报  浏览:  

据26日发表在《自然·材料》杂志上的最新研究,美国西北大学工程师首次创造出一种双层原子厚度的硼烯,打破了硼在单原子层限制之外形成非平面团簇的自然趋势。


图片中所有原子都是硼,粉红色的硼原子专门参与了层与层之间的键合。图片来源:美国西北大学

硼烯是一种单原子厚的硼薄片,是由硼原子构成的单原子层厚的二维材料,比石墨烯更强、更轻、更柔韧,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”,有望给电池、电子产品、传感器、太阳能电池和量子计算带来革命性的变化。

然而,单原子层硼烯的合成是具有挑战性的。石墨烯可以使用像透明胶带这样简单的东西从固有的层状石墨中剥离,而硼烯不能仅从块状硼中剥离,取而代之的是,要获得硼烯通常需要制备生长,因此需要衬底作为载体或者支撑。

5年前,来自同一研究团队的科学家们首次创造了只有单原子厚度的硼烯。理论研究预测认为,制备双层硼烯是可能的,但这项研究的联合资深作者、西北大学的马克·赫萨姆说:“理论很少告诉你实现这种新结构所需的综合条件。”

如果生长单层硼烯都很困难,那么生长多层原子平面结构的硼烯似乎是不可能的。由于块状硼不像石墨那样是层状的,超出单原子层的生长会导致形成团簇,而不是平面结构。研究人员称,试图生长多层硼烯的关键就在于找到阻止团簇形成的生长条件。

研究团队发现,正确条件的关键是用来生长硼烯的衬底。在这项研究中,研究人员在平面的银质衬底上培养了硼烯。当暴露在非常高的温度下时,银会在原子级台阶结构之间形成异常平坦的“梯田”。

当在这些巨大而平坦的“梯田”上“种植”硼烯时,研究人员看到了第二层的形成。这种双层材料既保持了硼烯所有理想的电子性能,又存在新的优点。例如,这种材料由两层原子层厚的薄片黏合在一起,中间有空间,可用来储存能量或化学物质。

“有理论预测,双层硼烯是一种很有前途的电池材料。”赫萨姆说,“层与层之间的空间提供了容纳锂离子的地方。”

研究团队希望继续生长更厚的硼烯,或者创造出具有不同原子几何结构的双层硼烯。

总编辑圈点

2004年“新材料之王”石墨烯问世,风靡了科学与工程界,人们自此开始不断地去尝试设计新型二维材料,但目前只有硼烯存在与石墨烯一样的纯平面结构。在进一步探索中,硼烯展现出了集坚、柔、韧于一体的优异性能,如今双层硼烯的制备成功,更将进一步佐证其在力学、光学、电学、热传输等领域的全面开花的能力。虽然在近期实现非常大的突破应用还不太可能,但它无疑代表着未来新材料的一个重要发展方向。

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