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雙層硼烯的原子結(jié)構(gòu)。圖片來源：美國西北大學

美國工程師首次創(chuàng)造出一種原子平面的硼烯雙層結(jié)構(gòu)，這一壯舉挑戰(zhàn)了硼的自然傾向，即形成超出單原子層限制的非平面原子團簇。這項研究8月26日發(fā)表于《自然—材料》。

盡管因極具潛力的電子特性而聞名，但硼烯—— 一種單原子層厚的硼薄片的合成仍具有挑戰(zhàn)性。與它的二維模擬材料石墨烯不同，硼烯不能從大塊硼上剝離，必須直接生長在基質(zhì)上。

如果說生長一層是困難的，那么生長多層硼烯似乎就是不可能的。由于大塊硼不像石墨那樣是分層的，在單原子層之外生長硼會形成團簇，而不是平面薄膜。

“當你試圖長出更厚的原子層時，可以利用硼的體積結(jié)構(gòu)?！蔽鞅贝髮W材料研究科學與工程中心主任、該論文資深作者Mark Hersam說，“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子團，而非保持原子平面。因此，關(guān)鍵是要找到阻止集群形成的生長條件。一直以來，這一點很難實現(xiàn)。現(xiàn)在，我們提供了一個新的平臺，進入了單個原子層和主體之間的未知領域?！?/span>

Hersam與萊斯大學教授Boris Yakobson共同領導了這項工作。5年前，Hersam與合作者首次創(chuàng)造了硼烯，后者比石墨烯更強、更輕、更柔韌，有可能徹底改變電池、電子器件、傳感器、太陽能電池和量子計算。盡管理論研究預測雙層硼烯是可能的，但包括Hersam在內(nèi)的許多研究人員都不相信。

“制造一種新材料是具有挑戰(zhàn)性的，即使理論研究預測了它的存在?！盚ersam說，“理論很難告訴你實現(xiàn)這種新結(jié)構(gòu)所需的合成條件?！?/span>

Hersam團隊發(fā)現(xiàn)，合成條件的關(guān)鍵是培育材料所用的基質(zhì)。在這項研究中，Hersam和同事在平坦的銀基上培育硼烯。當暴露在極高溫下時，銀聚集在原子級臺階之間，形成異常平坦的大梯級。

“我們在這些大平臺上生長硼烯，看到了第二層的形成?！盚ersam說，“根據(jù)這個偶然的發(fā)現(xiàn)，我們有意將精力集中在這個方向?！?/span>

雙層材料保持了硼烯所有理想的電子性能，同時提供了新優(yōu)勢。例如，這種材料包括兩個原子層厚的薄片，它們之間有空間并連接在一起，可以儲存能量或化學物質(zhì)。

“理論預測表明，雙層硼烯是一種很有前途的電池材料。在兩層之間留出空間可以容納鋰離子?！盚ersam說，其團隊希望繼續(xù)增加硼烯層的厚度，或創(chuàng)建具有不同原子幾何形狀的雙層。（晉楠）