石墨烯是已知的最薄的納米材料，在超導、能源等領(lǐng)域有非常多的應(yīng)用。石墨烯之后，科學家希望找到更多的性能優(yōu)異的二維材料，因為元素硼離碳較近，而且電子結(jié)構(gòu)比較合適，大家把目光聚集在了硼上，希望能夠合成硼烯，然而這種材料在自然界中并不存在，合成難度也非常大。

科學家對硼烯的理論結(jié)構(gòu)預(yù)測已逾10年之久，但從未成功合成。即便有個別的薄膜等樣品，其結(jié)構(gòu)也是異常復(fù)雜。因此，硼烯的制備成為國際凝聚態(tài)物理及材料物理界公認的世界難題。2015年12月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、美國紐約州立大學石溪分校和美國西北大學等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長出褶皺的單原子層硼烯。聯(lián)合團隊獲得的實驗結(jié)果與理論模型幾乎完全符合¹。由于合成的二維材料多是在基底上生長，在基底上才能穩(wěn)定存在，所以多層和體相的硼烯仍然沒有在實驗上合成。

美國西北大學的Mark C. Hersam?和萊斯大學Boris I. Yakobson課題組合作，在Nature Materials上發(fā)表重磅成果，首次創(chuàng)造出一種雙層原子厚度的硼烯，打破了硼在單原子層限制之外形成非平面團簇的自然趨勢。

在超高真空制備室(2×10^?10 Torr)中，使用純硼棒的電子束蒸發(fā)在單晶Ag(111)基片上進行了單層和雙層硼烯的生長。在1.5×10^?5 Torr下以1 keV能量重復(fù)Ar離子濺射30 min，然后在650°C下退火30min，制備了Ag(111)晶體。在這樣的高溫退火保證了平坦的Ag(111)階梯的形成，具有典型的寬度（超過1微米）。因此，硼烯的大部分成核位置都在階梯上，而不是沿著臺階邊緣。這一情景有利于單層硼烯晶界的形成，雙層α硼烯在晶界中形成核并生長。當硼烯覆蓋層接近單分子層時，由于Ehrlich-Schwoebel勢壘導致的三維硼粒子在Ag臺階邊緣的成核也被大片Ag(111)階梯最小化。

在450°C以下的較低溫度下，只生長混合相(v_1/5和v_1/6硼烯)和純v_1/6硼烯，有利于雙層α硼烯的生長。而在較高溫度下，未觀察到純v_1/5或旋轉(zhuǎn)不相稱的硼烯相生成雙層α硼烯。通過鍵分辨掃描隧道顯微鏡、非接觸式原子力顯微鏡和密度泛函理論計算得知，雙層硼烯與兩個共價鍵合的α相硼烯原子層相一致。雙層α硼烯保持了單層硼烯的金屬豐度，但有較高的結(jié)晶度和局域功函數(shù)（>5 eV）。

鑒于對定制合成2D硼的物理特性（例如局部功函數(shù)）的濃厚興趣，以及之前在單層硼烯和塊狀二十面體硼之間的中間區(qū)域中沒有硼多晶型物，這項工作將為未來理解和開發(fā)多層硼烯提供有用信息。

參考來源：

1. 百度百科：

https://baike.baidu.com/item/%E7%A1%BC%E7%83%AF/19222550

2. 原文鏈接：

Liu, X., Li, Q., Ruan, Q. et al. Borophene synthesis beyond the single-atomic-layer limit. Nat. Mater. (2021). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01084-2