二維材料具有原子尺度的厚度和獨(dú)特的性能，在納米電子器件中頗具應(yīng)用潛力而受到關(guān)注。新產(chǎn)業(yè)的萌發(fā)和快速發(fā)展來(lái)源于新材料的發(fā)現(xiàn)，不斷發(fā)現(xiàn)新的二維材料、豐富和補(bǔ)充二維材料的性質(zhì)，是二維材料研究領(lǐng)域的重要課題。硼烯是指由硼元素構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)，由于硼原子相對(duì)于碳原子缺少一個(gè)價(jià)電子，使硼原子之間的化學(xué)鍵較為復(fù)雜，理論上形成的平面結(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)，被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)最豐富的單元素二維材料之一。關(guān)于硼烯的理論研究早已開始，但硼烯沒有對(duì)應(yīng)的層狀體材料，不能像石墨烯那樣通過機(jī)械剝離獲得，且硼具有高熔點(diǎn)、低蒸汽壓的特點(diǎn)，因而硼烯的合成一直面臨挑戰(zhàn)。2016年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面實(shí)驗(yàn)室SF9組利用超高真空分子束外延的手段直接進(jìn)行單原子層構(gòu)筑的方法，在Ag(111)襯底上獲得了理論上的硼烯【Nature Chemistry 8, 564 (2016)】，完成了硼納米結(jié)構(gòu)的最后一塊重要“拼圖”，并證實(shí)了硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性。此外，科研團(tuán)隊(duì)精確調(diào)控襯底相互作用，制備出蜂窩狀結(jié)構(gòu)【Science Bulletin 63, 282(2018)】、準(zhǔn)一維鏈狀混合相的硼烯【Advanced Materials 32, 205128 (2020)】、硼烯納米帶【Physical Review Materials 1, 021001(R) (2017)】。

硼烯具有機(jī)械柔韌性、透光性、超高的熱電導(dǎo)、一維近自由電子態(tài)、金屬性狄拉克費(fèi)米子以及超導(dǎo)性等優(yōu)越性質(zhì)，在未來(lái)高速低散耗納米尺度器件中頗具應(yīng)用前景。此外，多層二維材料因優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)引起學(xué)界關(guān)注，如魔角雙層石墨烯(超導(dǎo)-絕緣可調(diào)控)、少數(shù)層過渡金屬硫族化合物(更高的超導(dǎo)特性、射頻性能)以及其異質(zhì)結(jié)(非對(duì)稱自旋耦合、莫爾激子)等，相比于其單層結(jié)構(gòu)具有更多的顯著物理特性。硼烯也如此，計(jì)算表明雙層硼烯比單層結(jié)構(gòu)具有更高的穩(wěn)定性，這是由于雙層結(jié)構(gòu)硼原子之間存在層間共價(jià)相互作用。不同的雙層硼烯結(jié)構(gòu)被預(yù)言為狄拉克節(jié)線半金屬、超導(dǎo)體及優(yōu)異的鋰電池陽(yáng)極材料，具有應(yīng)用潛能。然而，由于金屬表面的鈍化作用，超越單層的硼烯(如雙層、三層)的結(jié)構(gòu)很難在金屬表面上被制備出來(lái)。

物理所研究員吳克輝、陳嵐指導(dǎo)博士研究生陳彩云等，運(yùn)用超高真空分子束外延(MBE)的方式，在Cu(111)表面合成了高質(zhì)量大面積雙層硼烯。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士呂海峰、卓之問在教授武曉君的指導(dǎo)下對(duì)雙層硼烯體系進(jìn)行第一性原理研究，揭示了雙層硼烯的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性，以及其與襯底的相互作用、電荷分布和電子結(jié)構(gòu)等相關(guān)性質(zhì)。

掃描隧道顯微鏡(STM)的實(shí)驗(yàn)表征和第一性原理計(jì)算相結(jié)合，可以得到Cu(111)襯底上單層、雙層硼烯均是由鋸齒狀(zig-zag)硼鏈組成的層狀結(jié)構(gòu)，且具有金屬性。雙層硼烯層間硼-硼原子形成了共價(jià)鍵，提高了雙層硼烯的穩(wěn)定性，能量上的分析可以發(fā)現(xiàn)Cu(111)表面雙層結(jié)構(gòu)模型的熱穩(wěn)定性均顯著高于單層硼烯。電荷密度分布的計(jì)算表明，Cu(111)襯底可以將更多的電子轉(zhuǎn)移到第一層硼。更近一步，第一層硼上明顯的正負(fù)電荷積累區(qū)也揭示了剩余電子可以從第一層轉(zhuǎn)移到第二層硼，導(dǎo)致雙層中面內(nèi)電子的再分布。Cu襯底與硼之間獨(dú)特的電荷轉(zhuǎn)移是雙層硼烯能在Cu(111)表面成功生長(zhǎng)的主要原因。

非原位的X射線光電子能譜(XPS)實(shí)驗(yàn)表明，Cu(111)表面雙層硼烯在大氣下比單層穩(wěn)定，僅有少部分被氧化，而單層硼烯全部氧化。雙層硼烯的高質(zhì)量制備及其高穩(wěn)定性，將為其他實(shí)驗(yàn)手段如輸運(yùn)測(cè)量的研究提供了可能性，在器件領(lǐng)域頗具潛力與應(yīng)用前景。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)雙層硼烯的生長(zhǎng)開啟了對(duì)少層硼烯的實(shí)驗(yàn)研究，開拓了硼烯研究領(lǐng)域的新方向。

相關(guān)研究成果以Synthesis of Bilayer Borophene為題，在線發(fā)表在《自然-化學(xué)》(DOI：10.1038/s41557-021-00813-z)上。研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、安徽省量子信息技術(shù)計(jì)劃和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)等的支持。

圖1.單雙層硼烯在Cu(111)襯底上隨覆蓋度的變化

圖2.Cu(111)表面單雙層硼烯的高分辨STM圖和原子結(jié)構(gòu)模型

圖3.雙層硼烯的物理特性