物理所在二維硼（硼烯）的實驗制備方面取得進展

　　自石墨烯發現以來，二維材料受到了廣泛關注，尋找類似石墨烯的新型二維晶體材料，并探索其特殊物理化學性質是當前一個令人關注的研究方向。二維材料性質各異，且易于調控和集成，其豐富多彩的電子態和物理效應為構筑新型的電子器件提供了新機遇。其中，單元素二維材料由于結構簡單、易于分析和調控，可以視為模型化的二維晶體系統。在元素周期表中與碳元素性質接近的元素有同主族的硅、鍺、錫等元素，也有與碳相鄰的硼和磷。人們已經成功地制備出單原子層的硅烯、鍺烯、錫烯等類石墨烯材料，但這些材料在空氣中不能穩定存在。黑磷是磷的一種穩定的同素異形體，可以解理出納米級厚度的薄層，近年來有研究組實現了基于少數層黑磷的場效應管，但由于原子級厚度的黑磷在空氣中的穩定性差，目前尚未實現基于單原子層黑磷的電子器件。硼是元素周期表中的第5位元素，存在類似碳的sp2雜化軌道，具有短的共價鍵半徑和多樣化的價態，這些性質有利于形成低維的硼同素異形體，譬如硼納米管、籠狀結構、平面結構等。而平面結構的二維硼(也稱硼烯, 即 borophene)可以視為這些低維結構的基本形態，其存在的可能性一直受到理論研究者的強烈關注。但實驗上，由于硼是高熔點、低蒸汽壓的材料，有效熱蒸發溫度超過2000攝氏度，直接進行熱蒸發非常困難。此前制備硼的材料主要采取硼化物，易于引入雜質及復雜的化學過程。盡管理論上備受關注，但二維硼（硼烯）是否真實存在，實驗上一直沒有給出答案。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)表面室吳克輝研究組的博士生馮寶杰、鐘青在研究員吳克輝、副研究員陳嵐的指導下，率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進行單原子層構筑的方法，在Ag(111)襯底上獲得了理論期待已久的單層硼烯。他們克服了硼難以蒸發的困難，利用國產材料，研制了高純度、抗高溫的特種石墨坩堝。再使用電子束加熱坩堝，實現了超高溫度下直接熱蒸發硼單質。他們通過掃描隧道顯微鏡研究發現了兩種硼烯單層結構，與理論上預言的，具有不同周期孔的三角形晶格（β12相和χ3相）相符。此外，他們還發現硼烯有相當穩定的抗氧化性，并且與襯底僅有較弱的相互作用，預示硼烯未來很有可能在器件上得到應用。論文的合作者物理所表面室孟勝研究組的博士研究生張進在副研究員李暉的指導下對二維硼體系進行了第一性原理研究，揭示了兩種硼烯的結構，及其和襯底的相互作用、電荷分布等性質。

　　實驗上實現學術界期待已久的硼烯，為可能的基于硼烯的電子器件提供了誘人的前景。例如，體相的硼單質是半導體材料，而在理論上以及該研究中都已經驗證硼烯具有金屬性，并且受到其三角晶格中的不同空位排列結構的調制，有可能實現多樣化的電子性質。目前已有跟進的理論預言，認為該研究所發現的兩種硼烯有可能會出現明顯的超導特性（arxiv.1602.02930以及Nano Lett. DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00070）。另外，硼烯具有一定的抗氧化性，有助于克服二維材料易被氧化而不穩定的缺點。硼烯較短的鍵長也會使其具備較好的機械性能。該工作已經被Nature Chemistry 正式接收并出版（DOI: 10.1038/nchem.2491）。

　　該項目得到科技部“973”課題（2012CB921703, 2013CB921702, 2013CBA01600)、基金委重點及面上項目(11334011, 11322431, 11174344, 91121003)以及中科院先導B類項目 ( XDB07020100)的支持。

圖：在Ag(111)襯底上利用MBE手段獲得的單原子層厚度的硼烯島。(a,d)是Ag(111)上兩種硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖，(b,e)是兩種硼烯的高分辨掃描隧道顯微鏡圖，(c,f)是兩種硼烯的原子結構模型，其特征是三角晶格中的周期排列的空洞。