Advanced Materials:准一维硼烯链混合相

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,中科院物理所表面物理国家重点实验室吴克辉研究员和陈岚研究员等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. 8, 564 (2016) )。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,吴克辉和陈岚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和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链比的硼烯沿着 Ag(100)高对称方向,1:2链比的相对Ag(100)的[110]方向旋转74°。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。他们认为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。尤其值得注意的是,获得的长程混合相比硼烯的纯相所承受的应变小,且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。相关论文在线发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.202005128)上。