——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求
——中國科學(xué)院辦院方針
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單元素二維材料,由于具有重要的物理性質(zhì)以及在納米電子器件中有較大的應(yīng)用潛力而受到關(guān)注。硼烯(borophene)是指由硼元素構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu),理論上認(rèn)為有著不輸于石墨烯的優(yōu)良物理特性如金屬性、高機(jī)械柔性、高導(dǎo)熱性等,且有可能具有狄拉克電子、超導(dǎo)等量子特性。由于硼原子相對于碳原子缺少一個價電子,使得硼原子之間的化學(xué)鍵較復(fù)雜,所形成的平面結(jié)構(gòu)是以三角形密堆積晶格為基礎(chǔ)的孔洞型結(jié)構(gòu),而根據(jù)孔洞不同的排列方式,導(dǎo)致多樣化的硼烯原子結(jié)構(gòu)。2016年,中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面實驗室SF9組研究員吳克輝、陳嵐與博士馮寶杰等,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)襯底上獲得這種理論上的單層硼烯,并發(fā)現(xiàn)硼烯的多種純相,對應(yīng)于三角晶格中不同周期的孔洞結(jié)構(gòu)(Nature Chemistry 8, 564 (2016))。同時,研究還發(fā)現(xiàn)這些不同的硼烯純相本質(zhì)上是由不同寬度的準(zhǔn)一維硼鏈組成。那么,直覺上如果將這些不同種類的準(zhǔn)一維硼鏈作為構(gòu)建單元進(jìn)行有序混合,就有可能構(gòu)建出全新的人工硼烯相。不僅可以豐富硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性,而且可能構(gòu)筑出具有新奇量子特性的二維硼結(jié)構(gòu),豐富其物理性質(zhì)。
基于此啟發(fā),吳克輝和陳嵐指導(dǎo)博士研究生王宇、孔龍娟等,繼續(xù)深入開展硼烯原子結(jié)構(gòu)的可控制備研究。近日,研究人員利用分子束外延(MBE)方法,在Ag(100)單晶表面獲得不同的硼烯長程有序相結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn),實驗中獲得的兩種硼烯相是由兩種不同種類的硼鏈[(2,3)鏈和(2,2)鏈]通過不同的固定比例混合而成的長程有序相,且這兩種不同鏈比的混合相可以根據(jù)襯底的晶體方向得到很好的分離。研究通過掃描隧道顯微鏡表征并結(jié)合第一性原理計算,揭示混合鏈相的形成機(jī)理。研究人員認(rèn)為,由于硼烯結(jié)構(gòu)單元與Ag(100)表面界面相互作用的調(diào)制,其晶格匹配以及硼鏈相對于襯底的取向?qū)@兩種混合相的形成具有重要作用。獲得的長程混合相比硼烯的純相所承受的應(yīng)變小,且與襯底的相互作用更弱,這表明它們可能表現(xiàn)出理論預(yù)測的獨(dú)立硼烯(無襯底支撐)的固有物理性質(zhì)。
硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性使其成為一種有希望實現(xiàn)物理或化學(xué)性質(zhì)連續(xù)可調(diào)的材料體系?;旌舷嗟某晒ιL證實了硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性和可調(diào)性,有望加深襯底定制合成硼烯的影響,并為通過襯底調(diào)制制備新型硼烯相提供了一種有前景的方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上(DOI: 10.1002/adma.202005128)。論文第一作者為王宇,主要負(fù)責(zé)實驗生長和STM表征。理論計算主要由SF9組博士(已畢業(yè),目前在南開大學(xué)做博士后)孔龍娟完成。
研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助。
在Ag(100)襯底上利用MBE技術(shù)生長的單原子層厚度的混合相硼烯。(a)是示意圖。(Advanced Materials的Table of Contents圖)。(b-c)是Ag(100)上硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖(微分圖)。(d-f)是三種硼烯相的高分辨掃描隧道顯微鏡圖,(g-i)是對應(yīng)的三種硼烯相的原子結(jié)構(gòu)模型,其中,A相(g)和C相(i)是典型的準(zhǔn)一維原子鏈混合相結(jié)構(gòu)。
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