【材料】实验可控合成有序的准一维硼烯链混合相- 大数跨境

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2020-11-09

导读：中科院物理所表面实验室SF09组吴克辉研究员、陈岚研究员、冯宝杰博士等利用分子束外延（MBE）方法，在Ag(100)单晶表面成功获得了不同的硼烯长程有序相结构。

单元素二维材料，由于具有重要的物理性质以及在纳米电子器件中有较大的应用潜力而受到关注。硼烯（borophene）是指由硼元素构成的二维平面结构，理论上认为有着不输于石墨烯的优良物理特性如金属性、高机械柔性、高导热性等，并且有可能具有狄拉克电子、超导等量子特性。由于硼原子相对于碳原子缺少一个价电子，使得硼原子之间的化学键较为复杂，所形成的平面结构是以三角形密堆积晶格为基础的孔洞型结构，而根据孔洞不同的排列方式，导致了多样化的硼烯原子结构。2016年，中科院物理所表面实验室SF09组吴克辉研究员、陈岚研究员、冯宝杰博士等在国际上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)衬底上获得了这种理论上期待已久的单层硼烯，并发现硼烯的多种纯相，对应于三角晶格中不同周期的孔洞结构（Nature Chem., 2016, 8, 564）。与此同时，他们还发现这些不同的硼烯纯相本质上是由不同宽度的准一维硼链组成。那么直觉上如果将这些不同种类的准一维硼链作为构建单元进行有序混合，就有可能构建出全新的人工硼烯相。不仅可以丰富硼烯结构的多样性，还可能构筑出具有新奇量子特性的二维硼结构，丰富其物理性质。

基于此启发，中科院物理所SF09组团队继续深入开展硼烯原子结构的可控制备研究。最近，他们利用分子束外延（MBE）方法，在Ag(100)单晶表面成功获得了不同的硼烯长程有序相结构。他们发现，实验中获得的两种硼烯相是由两种不同种类的硼链[(2,3)链和(2,2)链]分别通过（2:1）以及（1:2）的比例混合而成的长程有序相A相和C相。并且这两种不同链比的混合相可以根据衬底的晶体方向得到很好的分离，即2:1链比的硼烯混合相沿着Ag(100)高对称方向，1:2链比的混合相却旋转了74°。

图1. 在Ag(100)衬底上利用MBE技术生长的单原子层厚度的混合相硼烯。(a)示意图（Advanced Materials 的Table of Contents图）。(b,c) Ag(100)上硼烯岛的扫描隧道显微镜图（微分图）。(d-f) 三种硼烯相的高分辨扫描隧道显微镜图，(g-i) 对应的三种硼烯相的原子结构模型，其中，A相(g)和C相(i)是典型的准一维原子链混合相结构。

他们通过扫描隧道显微镜表征并结合第一性原理计算，揭示了混合链相的形成机理。由于硼烯结构单元与Ag(100)表面界面相互作用的调制，其晶格匹配以及硼链相对于衬底的取向对这两种混合相的形成起着至关重要的作用。两种一维硼链的周期与Ag单晶沿着[110]方向的周期完美匹配，但横向宽度与Ag晶格周期的失配却恰好调制了两种链的混合。在(2,3)链构成的纯相(5Å)与Ag晶格失配较大，如果在其中插入拥有更小横向间距的(2,2)链，即两条(2,3)链搭配一条(2,2)链，那么由三条链形成的周期与Ag的五倍晶格完美匹配，具有更小的界面应力。同样，可以在(2,2)链构成的纯相中插入(2,3)链，形成混合相，但是由于该混合相的近邻硼烯链横向距离小，不能满足与衬底形成稳定的公度结构，因此混合链必须相对于衬底进行旋转以获得晶格匹配的最佳方向。也就是说，根据衬底的晶体方向，Ag(100)上不同链比例的硼烯相可以被很好地分离。尤其值得注意的是，通过对形成能、键长的比较可以看出，获得的长程混合相比硼烯的纯相所承受的应变小，且通过对比界面电荷转移量发现混合相与衬底的相互作用更弱，这表明它们可能表现出理论预测的独立硼烯（无衬底支撑）的固有物理性质。

硼烯结构的多样性使其成为一种很有希望实现物理或化学性质连续可调的材料体系。混合相的成功生长不但证实了硼烯结构的多样性和可调性，更重要的是有望加深衬底定制合成硼烯的影响，为通过衬底调制制备新型硼烯相提供了一种有前景的方法。

相关研究结果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中科院物理所博士研究生王宇和孔龙娟博士（已毕业，目前在南开大学做博士后）。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Realization of Regular‐Mixed Quasi‐1D Borophene Chains with Long‐Range Order

Yu Wang, Longjuan Kong, Caiyun Chen, Peng Cheng, Baojie Feng, Kehui Wu, Lan Chen

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202005128

陈岚研究员简介

陈岚，中国科学院物理研究所研究员。2001年获得中国科学技术大学物理学系学士学位。2006年在中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室博士毕业。2007年-2010年在赴新加坡国立大学纳米科学技术中心做博士后，期间2008年获新加坡千禧年博士后奖（2008）。2010年8月加入中科院物理所表面物理国家重点实验室，目前担任研究员、博导。2011年成为中科院青年创新促进会首届会员，2015年获得青促会优秀会员的称号，2013年获得国家自然科学基金委优秀青年基金的支持，2019年获北京市自然科学奖一等奖。

主要研究方向为新型低维量子体系的生长和新奇物性的调控，在相关领域共发表学术论文超过80篇，其中包括Nature/Science子刊6篇，Phys. Rev. Lett. 13篇，Adv. Mater. 3篇，Nano Lett. 4篇， ACS Nano 5篇等，总引用次数超过5000次。

https://www.x-mol.com/university/faculty/174613

吴克辉研究员简介

吴克辉，中国科学院物理研究所研究员。2000年在中科院物理所获得博士学位。2000年到2004年在日本东北大学金属材料研究所任博士后及助理教授。2004年10月回国，任物理所表面室9组课题组长。2018年起兼松山湖材料实验室（物理所与广东省共建）公共技术平台台长。

主要研究方向为低维量子材料的分子束外延生长和原子尺度物性表征。已发表SCI论文130多篇，包括6篇NS子刊，17篇Phys. Rev. Lett.，SCI总引用超过6200次（google scholar >7700次, H-index为33。曾获中国科学院杰出科技成就奖（集体奖，突出贡献者，2011），国家杰出青年基金获得者（2018），科技部中青年创新领军人才（2018），中组部科技创新领军人才（2019），北京市科技奖一等奖（2019）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/174619