物理所在二維硼（硼烯）的實(shí)驗(yàn)制備方面取得進(jìn)展

　　自石墨烯發(fā)現(xiàn)以來，二維材料受到了廣泛關(guān)注，尋找類似石墨烯的新型二維晶體材料，并探索其特殊物理化學(xué)性質(zhì)是當(dāng)前一個(gè)令人關(guān)注的研究方向。二維材料性質(zhì)各異，且易于調(diào)控和集成，其豐富多彩的電子態(tài)和物理效應(yīng)為構(gòu)筑新型的電子器件提供了新機(jī)遇。其中，單元素二維材料由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于分析和調(diào)控，可以視為模型化的二維晶體系統(tǒng)。在元素周期表中與碳元素性質(zhì)接近的元素有同主族的硅、鍺、錫等元素，也有與碳相鄰的硼和磷。人們已經(jīng)成功地制備出單原子層的硅烯、鍺烯、錫烯等類石墨烯材料，但這些材料在空氣中不能穩(wěn)定存在。黑磷是磷的一種穩(wěn)定的同素異形體，可以解理出納米級(jí)厚度的薄層，近年來有研究組實(shí)現(xiàn)了基于少數(shù)層黑磷的場(chǎng)效應(yīng)管，但由于原子級(jí)厚度的黑磷在空氣中的穩(wěn)定性差，目前尚未實(shí)現(xiàn)基于單原子層黑磷的電子器件。硼是元素周期表中的第5位元素，存在類似碳的sp2雜化軌道，具有短的共價(jià)鍵半徑和多樣化的價(jià)態(tài)，這些性質(zhì)有利于形成低維的硼同素異形體，譬如硼納米管、籠狀結(jié)構(gòu)、平面結(jié)構(gòu)等。而平面結(jié)構(gòu)的二維硼(也稱硼烯, 即 borophene)可以視為這些低維結(jié)構(gòu)的基本形態(tài)，其存在的可能性一直受到理論研究者的強(qiáng)烈關(guān)注。但實(shí)驗(yàn)上，由于硼是高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的材料，有效熱蒸發(fā)溫度超過2000攝氏度，直接進(jìn)行熱蒸發(fā)非常困難。此前制備硼的材料主要采取硼化物，易于引入雜質(zhì)及復(fù)雜的化學(xué)過程。盡管理論上備受關(guān)注，但二維硼（硼烯）是否真實(shí)存在，實(shí)驗(yàn)上一直沒有給出答案。

　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)表面室吳克輝研究組的博士生馮寶杰、鐘青在研究員吳克輝、副研究員陳嵐的指導(dǎo)下，率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進(jìn)行單原子層構(gòu)筑的方法，在Ag(111)襯底上獲得了理論期待已久的單層硼烯。他們克服了硼難以蒸發(fā)的困難，利用國(guó)產(chǎn)材料，研制了高純度、抗高溫的特種石墨坩堝。再使用電子束加熱坩堝，實(shí)現(xiàn)了超高溫度下直接熱蒸發(fā)硼單質(zhì)。他們通過掃描隧道顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)了兩種硼烯單層結(jié)構(gòu)，與理論上預(yù)言的，具有不同周期孔的三角形晶格（β12相和χ3相）相符。此外，他們還發(fā)現(xiàn)硼烯有相當(dāng)穩(wěn)定的抗氧化性，并且與襯底僅有較弱的相互作用，預(yù)示硼烯未來很有可能在器件上得到應(yīng)用。論文的合作者物理所表面室孟勝研究組的博士研究生張進(jìn)在副研究員李暉的指導(dǎo)下對(duì)二維硼體系進(jìn)行了第一性原理研究，揭示了兩種硼烯的結(jié)構(gòu)，及其和襯底的相互作用、電荷分布等性質(zhì)。

　　實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)學(xué)術(shù)界期待已久的硼烯，為可能的基于硼烯的電子器件提供了誘人的前景。例如，體相的硼單質(zhì)是半導(dǎo)體材料，而在理論上以及該研究中都已經(jīng)驗(yàn)證硼烯具有金屬性，并且受到其三角晶格中的不同空位排列結(jié)構(gòu)的調(diào)制，有可能實(shí)現(xiàn)多樣化的電子性質(zhì)。目前已有跟進(jìn)的理論預(yù)言，認(rèn)為該研究所發(fā)現(xiàn)的兩種硼烯有可能會(huì)出現(xiàn)明顯的超導(dǎo)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，有助于克服二維材料易被氧化而不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。硼烯較短的鍵長(zhǎng)也會(huì)使其具備較好的機(jī)械性能。該工作已經(jīng)被Nature Chemistry 正式接收并出版（DOI: 10.1038/nchem.2491）。

　　該項(xiàng)目得到科技部“973”課題（2012CB921703, 2013CB921702, 2013CBA01600)、基金委重點(diǎn)及面上項(xiàng)目(11334011, 11322431, 11174344, 91121003)以及中科院先導(dǎo)B類項(xiàng)目 ( XDB07020100)的支持。

    圖：在Ag(111)襯底上利用MBE手段獲得的單原子層厚度的硼烯島。(a,d)是Ag(111)上兩種硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖，(b,e)是兩種硼烯的高分辨掃描隧道顯微鏡圖，(c,f)是兩種硼烯的原子結(jié)構(gòu)模型，其特征是三角晶格中的周期排列的空洞。