硼烯晶格結構依賴載流子濃度

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材料通常都有相對固定的晶格結構，如金剛石具有立方結構，而石墨烯為層狀的蜂窩結構。在實際應用中，材料的晶格結構也不易受外部環境影響，因而能夠提供穩定的性質和功能。近日，南京航空航天大學的張助華團隊基於第一性原理的結構搜索發現硼烯的晶格結構取決於包含的載流子濃度。

二維材料是指只有單個或數個原子厚度而面內可達到宏觀尺度的一類新材料。二維材料的大部分原子暴露於材料表面，且電子的運動嚴格局限於二維空間，因而具有宏觀材料不具備的諸多新穎物理性質和功能。石墨烯是典型的純平面二維材料，是除金剛石之外所有碳結構的基本構成單元。然而，除了碳之外，鮮有其他單元素形成的二維材料可像石墨烯這般迷人。

硼在元素周期表中位於非金屬碳和金屬鈹之間，導致硼兼有金屬和非金屬元素的特性。因此，硼可以形成常規的強共價鍵，又可形成種類繁多的多中心化學鍵。由於成鍵能力和種類勝於碳，硼具有上百種晶體結構。在納米尺度下，硼的行為變得更奇特，在小尺度下傾向於以類似苯環的平面分子存在，尺度稍大後具有富勒烯形態的籠狀結構，在特殊條件下甚至還可形成一維的納米管和薄膜結構。這些納米結構促使硼與碳具有驚人的化學相似性。硼的這些小尺度行為引起人們的思考：它是否可以形成類似於石墨烯的單原子層晶體。

早在2007年，理論預測硼可形成類似於石墨烯的單原子層晶體結構，但很長一段時間內一直未能成功製備。金屬表面對實驗製備二維硼不可或缺，但可能顯著改變硼的結構。因此，二維硼研究的首要任務是得到金屬表面硼的穩定結構；然而，金屬基底使材料體系複雜、計算量龐大，為大規模的結構搜索帶來了挑戰。張助華團隊與美國萊斯大學的Yakobson教授研究組合作，處理金屬基底的二維硼形成合金結構，並發展團簇擴展的方法，使之能夠有效對這種複雜體系進行基於第一性原理的全局結構搜索。結果發現，二維硼是一種沒有特定穩定結構的二維材料，其能量最優結構依賴於金屬基底，不同於石墨烯和氮化硼等二維材料。硼與金屬表面的相互作用決定其最優穩定的結構：相互作用越強，二維硼傾向於形成更穩定的平面結構（Angew. Chem. Int. Ed.,2015,127, 13214）。在長期理論探索的指導下，最近兩個獨立的實驗成功在銀基底上合成了純平面的單硼原子層晶體——硼烯，完成了硼納米結構的最後一塊拼圖。

由於硼缺電子，硼納米結構很容易帶電荷。在實際應用中，硼烯具有金屬性，含有無限量的載流子濃度，由此導致新的問題出現：載流子是否會影響硼烯的結構穩定性。張助華團隊與萊斯大學的Yakobson教授研究組繼續合作，將團簇展開的方法與第一原理計算結合，分析了硼烯的最優結構對柵壓控制載流子濃度的依賴性。在摻雜濃度為3.12 × 1014cm-2，硼烯基態的空心六邊形濃度由電荷中性狀態的1/8增加到1/7。六邊形濃度受電荷摻雜的依賴關係可通過基於電子計數規則的分析方法成功解釋。另外，他們發現特定摻雜濃度下不同硼烯結構的相對穩定性不僅取決於平面內電子的雜化，還顯著依賴面外硼電子軌道的雜化情況。

該研究成果為硼烯結構的穩定機理提供了新的見解，並為其合成過程中晶格結構的控制提供了新的方法。這種柵壓誘導的晶格結構控制還可啟發其他基於硼烯的新二維材料的設計。這一成果近期發表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的作者還包括Sharmila N. Shirodkar博士、楊暘博士和Boris I. Yakobson教授。

該論文作者為：Zhuhua Zhang, Sharmila N. Shirodkar, Yang Yang and Boris I. Yakobson

Gate-Voltage Control of Borophene Structure Formation

Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 15421, DOI: 10.1002/anie.201705459

導師介紹

張助華

http://www.x-mol.com/university/faculty/48489

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