科研人員成功製備蜂窩狀結構的硼烯

硼烯是指由硼元素構成的二維平面結構，其存在的可能性一直受到理論研究者的強烈關注。由於硼原子只有三個價電子，與石墨烯類似的蜂窩狀結構並不是一種能量上穩定存在的硼烯結構。相反，以三角形密堆積晶格為基礎的孔洞型結構是可以穩定存在的。2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF09組研究員吳克輝、陳嵐等率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進行單原子層構築的方法，在Ag(111)襯底上獲得了這種理論上期待已久的單層硼烯，並發現硼烯的多種相，對應於三角晶格中不同周期的孔洞結構（Nature Chem.8, 564 (2016)）。

然而，蜂窩狀結構的硼烯仍然受到研究者的強烈關注。首先，獨特的二維六角蜂窩狀結構天然賦予硼烯狄拉克錐的能帶結構。於是，大多數在石墨烯中發現的新奇量子效應，都有望在硼烯中獲得相應的體現，例如無質量、手性、相對論性的電子在電場與磁場中表現出的反常的物理現象，極高的載流子遷移率等。其次，規則的六角蜂窩狀結構的硼原子層在自然界中其實是存在的。人們所熟知的超導材料二硼化鎂就是由六角蜂窩狀結構的硼原子層與三角密堆積結構的鎂原子層交替排列形成的。二硼化鎂的超導電性來源於電聲子耦合，其中金屬性的硼原子層起關鍵作用。因此，六角蜂窩狀結構的硼烯甚至有可能實現二維超導性。但是，二硼化鎂並非層狀結構，其中的硼原子層無法獨立存在。

考慮到硼相比於碳原子，缺少一個最外層電子，要想獲得穩定的蜂窩狀硼烯，必須要往硼烯中摻入大量的電子，而基底與硼烯之間的界面電荷轉移是往硼烯中摻入電子的最有效途徑之一。基於上述原因，SF09組研究員吳克輝、陳嵐、副研究員程鵬帶領博士研究生黎文彬、孔龍娟等人，繼續深入開展硼烯薄膜的製備工作。他們採用單晶Al(111)作為基底，通過生長過程的精確控制，最終成功地製備出了蜂窩狀結構的硼烯薄膜（圖1b）。他們利用高分辨的掃描隧道顯微鏡（STM）觀察到了硼烯完美的六角蜂窩狀結構（圖1c），晶格周期為0.29 nm，與理論預言中自由狀態下蜂窩狀硼烯的0.3 nm晶格周期接近。由於局域應力的存在，硼烯薄膜還呈現出具有較大周期的三角形周期性起伏結構（圖1d），但這並不影響硼烯本身的蜂窩狀晶格。同時，這種蜂窩狀結構在跨越襯底的台階時也保持了連續不間斷的特點，為硼烯的單層平面蜂窩狀結構提供了又一有力佐證。

以往的理論計算表明由於電子的缺失，自由狀態下蜂窩狀硼烯並不能穩定存在，但在單晶Al(111)基底上卻成功地實現了這一結構的單層硼烯，說明Al(111)作為基底起到十分重要的作用。通過第一性原理的計算，發現了Al(111)基底與硼烯中每個硼原子間有近1個電子的電荷轉移，這有效地解決了蜂窩狀結構的二維硼烯中電子的缺失，對於蜂窩狀硼烯的穩定存在起到至關重要的作用。

該工作發現硼原子形成的一種全新的同質異形結構，實現了學術界期待已久的平面六角蜂窩狀結構的硼烯，美國Rice大學的理論化學家Boris Yakobson教授專門為此撰寫了評論文章，形象地將其稱為「鋁鍋上的鍊金術」（Science Bulletin63, 270 (2018)）。同時該工作也為進一步研究硼烯中可能存在的奇異電子特性包括狄拉克錐形能帶結構、超導電性等奠定了基礎，而且為實現基於硼烯的電子器件提供了誘人的前景。該工作發表在Science Bulletin63, 282 (2018)上，並以Boron can form a purely honeycomb 2D structure為題作為當期的封面文章報道。

以上研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院戰略性先導科技專項的支持。

圖：(a) 利用超高真空分子束外延（MBE）的製備方法在Al(111)襯底上製備出蜂窩狀結構硼烯的示意圖（Science Bulletin 封面圖）；(b)(c)(d) Al(111)襯底上硼烯薄膜的掃描隧道顯微鏡（STM）圖，其中d圖顯示出三角形的周期性起伏結構；(e) Al(111)襯底上硼烯薄膜的原子結構模型圖。

來源：中國科學院物理研究所

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