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工程師首次制造出雙層硼酚
发布时间: 2021-09-06 10:34 | 【 【打印】【關閉】

 

   插圖描述了雙層硼酚的原子結構。在這張圖中,所有的原子都是硼,粉色的硼原子特別參與了層間的鍵合。圖片來源:西北大學

  美國西北大學的工程師首次創造出了一種原子平面的硼烯雙層結構,這一壯舉挑戰了硼的自然傾向,即形成超出單原子層限制的非平面原子團簇。這項研究8月26日發表于《自然—材料》。

  尽管以其极具潜力的电子特性而闻名,但硼酚—— 一种单原子层厚的硼薄片的合成仍具有挑战性。与它的二维模拟材料石墨烯不同的是,硼烯不能仅仅从大块硼上剥离。石墨烯可以用透明胶带这样简单的东西从天生的层状石墨上剥离。相反,硼酚必须直接生长在基质上。

  如果說生長一層是困難的,那麽生長多層原子平坦的硼酚似乎是不可能的。由于大塊硼不像石墨那樣是分層的,在單原子層之外生長硼會導致成簇而不是平面薄膜。

  “当你试图长出更厚的原子层时,可以利用硼的体积结构。”西北大学材料研究科学与工程中心主任、该论文资深作者Mark Hersam说,“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子团,而非保持原子平面。因此,关键是要找到阻止集群形成的生长条件。一直以来,这一点很难实现。现在,我们提供了一个新的平台,进入了单个原子层和主体之间的未知领域。”

  Hersam与莱斯大学教授Boris Yakobson共同领导了这项工作。五年前,Hersam和合作者首次创造了硼酚。硼酚比石墨烯更强、更轻、更柔韧,有可能彻底改变电池、电子器件、传感器、太阳能电池和量子计算。尽管理论研究预测双层硼酚是可能的,包括Hersam在内的许多研究人员都不相信。

  “制造一種新材料是具有挑戰性的,即使理論研究預測了它的存在。”Hersam說,“理論很難告訴你實現這種新結構所需的合成條件。”

  Hersam的團隊發現,正確條件的關鍵是培育材料所用的基質。在這項研究中,Hersam和同事在平坦的銀基上培育硼酚。當暴露在非常高的溫度下,銀聚集在原子級台階之間,形成異常平坦的大梯級。

  “當我們在這些大而平的平台上種植硼酚時,我們看到了第二層的形成,”Hersam說。根據這個偶然的發現,我們有意將精力集中在這個方向。許多材料的發現都是這樣發生的,當你偶然發現一些意料之外的事物時,必須意識到這個機會。”

  雙層材料保持了硼酚的所有理想的電子性能,同時提供了新的優勢。例如,這種材料包括兩層原子層厚的薄片,它們之間有空間連接在一起,可以用來儲存能量或化學物質。

  “理論預測表明,雙層硼烯是一種很有前途的電池材料。在兩層之間留出空間可以容納锂離子。”Hersam說,其團隊希望繼續增加更厚的硼烯層,或創建具有不同原子幾何形狀的雙層。

  “鑽石、石墨、石墨烯和碳納米管都是基于一種不同幾何形狀的(碳)元素。”Hersam說,“硼的可能性似乎和碳一樣多,如果不是更多的話。現在,我們僅處于二維硼傳奇的早期階段。”

  相關論文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-021-01084-2 

  文章來源:中國科學報、科學網 

  文章鏈接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/8/464155.shtm 

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