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一种新型二维材料:硼稀

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楼主 发表于:2019-11-26 09:55:47
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从2004年石墨烯问世起,真实的单原子层二维材料出现在人们的面前。石墨烯导电率好、机械强度高、导热性好以及化学稳定性较好,正是这些优良品质,让石墨烯广受物理与材料研究者青睐,也在工业中得到广泛使用,市场巨大。

 

但是,二维材料不只有石墨烯,石墨烯的出现带动了一大批类石墨烯材料的发现与合成。其中,硼稀就是新型二维材料,硼稀甚至拥有者比石墨烯还要优异的性能,且易于调控和集成,其丰富多彩的电子态和物理效应为构筑新型的电子器件提供了新的思路和机遇。

 

除了碳元素以外,人们首先想到的最有可能拥有二维同素异形体的元素就是与碳同主族的硅、锗等元素,因为这些元素与碳元素一样,最外层都有4个电子。这些元素也很有可能和碳元素一样拥有稳定的二维单原子层结构,2012年,人们在实验上成功制备了单层硅烯,验证了这些想法。随后的几年间,锗烯和锡烯也陆续在实验室中得以实现。但不足之处在于这些二维材料易被氧化,在空气中不能稳定存在,因此较难被应用于器件。

 

人们又把目光转向了硼元素,硼作为碳元素的近邻元素,在其单质或化合物中寻找类石墨烯的二维材料,同样是一条便捷且可靠的途径。硼元素的最外层电子数为3,存在类似碳的sp2杂化轨道,具有短的共价键半径和多样化的价态,这些性质有利于形成低维的硼同素异形体,譬如硼纳米管、笼状结构、平面结构等。

 

有关硼单质纳米材料的合成的研究是从2000年之后才开展的。

 

2002年,OttenC.J.等人利用CVD的办法用B2H6获得了硼的纳米线,电子衍射的数据显示这是一些拥有晶体结构的硼纳米线。这些硼单质纳米结构的成功制备,标志着硼单质的研究步入了纳米尺度阶段,但与我们想要的单层硼的距离还很遥远。

 

2010年,中国科学院物理研究所高鸿钧研究组采用化学气相沉积方法,成功合成出了直径为10—40nm的多壁硼纳米管。从实验上表明了低维的硼纳米材料原则上是可以成功制备的。

 

2015年,中国科学院物理研究所程鹏研究小组率先利用超高真空分子束外延的手段直接进行单原子层构筑的方法,在Ag(111)衬底上获得了理论上期待已久的单层硼烯。

 

而硼烯的结构非常丰富,受到其三角晶格中的不同空位排列结构的调制,有可能实现非常多样化的电子性质。硼稀的一种二维结构具有与石墨烯类似的狄拉克锥,但不是完美的锥形,因而有可能导致新颖的各向异性的输运性质。

 

硼烯还有可能成为超导体。这一点主要来自于超导材料二硼化镁的启发。硼元素的原子质量较小,因而具有较强的电声耦合强度,而镁原子主要起到了提供载流子的作用。较强的电声耦合强度以及较高的载流子浓度这两个形成常规超导体的条件,实际上在单层硼烯薄膜中都已具备。清华大学的倪军教授研究组也通过计算预言了带翘曲结构的双层硼烯薄膜有超导的可能性。

 

硼烯具有非常丰富的晶体结构和电子性质。理论预言中可以稳定存在的硼单层膜的结构有很多,尝试制备出更多种类的硼烯,就有希望从中发现一些具有奇异电子特性的结构,例如理论预言中具有狄拉克锥的能带结构或者具有超导特性的硼烯等。

 

另外,硼烯的化学性质相对稳定,有可能在大气环境下存在,这有助于克服二维材料易被氧化而不稳定的缺点,在纳米器件方面具有潜在的应用价值。硼烯较短的键长也会使其具备较好的机械性能。

 

随着对其研究的逐渐深入,硼烯所具有的新奇的原子结构和奇特的物理性质将进一步被人们所了解,为将来基于硼烯的应用提供了可能。

 

参考来源

常泰维.超越石墨烯:二维纳米材料

程鹏.一种新型二维材料:硼烯

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