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威尼斯正规官网:双层硼烯研制成功

时间:2021-08-31 10:37:40 来源:中国科学报

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双层硼烯的原子结构。图片来源:美国西北大学


  美国工程师首次创造出一种原子平面的硼烯双层结构,这一壮举挑战了硼的自然倾向,即形成超出单原子层限制的非平面原子团簇。这项研究8月26日发表于《自然—材料》。


  尽管因极具潜力的电子特性而闻名,但硼烯—— 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,硼烯不能从大块硼上剥离,必须直接生长在基质上。


  如果说生长一层是困难的,那么生长多层硼烯似乎就是不可能的。由于大块硼不像石墨那样是分层的,在单原子层之外生长硼会形成团簇,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。5年前,Hersam与合作者首次创造了硼烯,后者比石墨烯更强、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烯是可能的,但包括Hersam在内的许多研究人员都不相信。


  “制造一种新材料是具有挑战性的,即使理论研究预测了它的存在。”Hersam说,“理论很难告诉你实现这种新结构所需的合成条件。”


  Hersam团队发现,合成条件的关键是培育材料所用的基质。在这项研究中,Hersam和同事在平坦的银基上培育硼烯。当暴露在极高温下时,银聚集在原子级台阶之间,形成异常平坦的大梯级。


  “我们在这些大平台上生长硼烯,看到了第二层的形成。”Hersam说,“根据这个偶然的发现,我们有意将精力集中在这个方向。”


  双层材料保持了硼烯所有理想的电子性能,同时提供了新优势。例如,这种材料包括两个原子层厚的薄片,它们之间有空间并连接在一起,可以储存能量或化学物质。


  “理论预测表明,双层硼烯是一种很有前途的电池材料。在两层之间留出空间可以容纳锂离子。”Hersam说,其团队希望继续增加硼烯层的厚度,或创建具有不同原子几何形状的双层。


  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-021-01084-2


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