西北大學(xué)的工程師第一次創(chuàng)造了雙層原子平面硼烯，這一壯舉挑戰(zhàn)了硼在單原子層限制之外形成非平面簇的自然趨勢。
盡管以其有前途的電子特性而聞名，但硼烯——一種單原子層厚的硼片——在合成方面具有挑戰(zhàn)性。與它的模擬二維材料石墨烯不同，石墨烯可以使用透明膠帶等簡單的東西從天然分層石墨上剝離，而硼烯不能僅僅從大塊硼上剝離。相反，硼烯必須直接生長在基材上。
如果生長一層很困難，那么生長多層原子級平坦的硼烯似乎是不可能的。由于塊狀硼不像石墨那樣分層，因此在單個原子層之外生長的硼會導(dǎo)致聚集而不是平面薄膜。
該研究的共同資深作者、西北大學(xué)的Mark C. Hersam說：“當(dāng)你嘗試生長更厚的層時，硼想要采用其整體結(jié)構(gòu)。”“而不是保持原子平面，較厚的硼膜形成粒子和簇。關(guān)鍵是找到阻止簇形成的生長條件。直到現(xiàn)在，我們認為你不能超越一層?，F(xiàn)在我們已經(jīng)進入了單原子層和大塊之間的未探索領(lǐng)域，從而為發(fā)現(xiàn)提供了新的游樂場。”
該研究將于 8 月 26 日發(fā)表在《自然材料》雜志上。
Hersam 是麥考密克工程學(xué)院材料科學(xué)與工程的 Walter P. Murphy 教授和材料研究科學(xué)與工程中心的主任。他還是西北大學(xué)國際納米技術(shù)研究所和辛普森奎里研究所的成員。Hersam 與萊斯大學(xué)的 Karl F. Hasselmann 工程教授 Boris Yakobson 共同領(lǐng)導(dǎo)了這項工作。
五年前，Hersam 和他的合作者第一次創(chuàng)造了硼烯。硼烯比石墨烯更堅固、更輕、更靈活，有可能徹底改變電池、電子產(chǎn)品、傳感器、太陽能電池和量子計算。盡管理論研究預(yù)測雙層硼烯是可能的，但包括 Hersam 在內(nèi)的許多研究人員并不相信。
“即使理論工作預(yù)測它的存在，制造新材料也具有挑戰(zhàn)性，”赫薩姆說。“理論很少告訴你實現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)所需的合成條件。”
Hersam 的團隊發(fā)現(xiàn)，正確條件的關(guān)鍵是用于生長材料的基材。在這項研究中，Hersam 和他的同事在平坦的銀色基材上培養(yǎng)了硼烯。當(dāng)暴露在非常高的溫度下時，銀會在原子級臺階束之間形成非常平坦的大梯田。
“當(dāng)我們在這些大而平坦的梯田上種植硼烯時，我們看到形成了第二層，”赫薩姆說。“在偶然的觀察之后，我們有意將精力集中在這個方向上。當(dāng)我們找到它時，我們并沒有在尋找第二層。許多材料的發(fā)現(xiàn)都是以這種方式發(fā)生的，但當(dāng)你偶然發(fā)現(xiàn)一些意想不到的東西時，你必須意識到這個機會。”
這種雙層材料保持了硼烯的所有理想電子特性，同時提供了新的優(yōu)勢。例如，該材料包括兩個原子層厚的薄片，它們之間有空間粘合在一起，可用于能量或化學(xué)存儲。
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