打开

科学家首次成功制造双层硼烯

subtitle
看航空 2021-11-30 17:07
打开网易新闻 查看更多图片

美国西北大学(NorthwesternUniversity)的工程师们首次成功制造了双层原子平面结构的硼烯(borophene)。这项研究打破了硼在单原子层限制之外形成非平面团簇的自然趋势。

硼烯是一种单原子厚的硼薄片,其电子学性质很有前景,但单原子层硼烯的合成仍具有挑战性。它与同类的二维材料石墨烯不同的是,石墨烯可以使用像透明胶带这样简单的工具,从自身结构就是片层状的石墨上剥离,而硼烯不能用同样的方法从块状硼上剥下来。要想获得硼烯,通常需要让它直接生长在衬底(substrate)上。

生长单层硼烯已经很困难,而生长多层原子平面结构的硼烯似乎是不可能的。这是由于块状硼不像石墨那样是层状的,超出单原子层的生长会导致形成团簇,而不是平面结构。

“当你试图生长多层硼烯时,它会更倾向于形成它的体结构。”这项研究的共同作者,西北大学的MarkC.Hersam说,“尝试生长多层硼烯会导致形成团簇,而不是保持平面结构。所以我们的关键就是找到阻止团簇形成的生长条件。至今,我们都不认为能形成超过一层的硼烯。但现在,我们正在探索层与层之间形成的未知空间。”

这项研究发表在《自然-材料学》(NatureMaterials)期刊上。

Hersam是西北大学麦考密克工程学院(McCormick SchoolofEngineering)的材料科学与工程教授、材料研究科学与工程中心主任。他也是西北大学国际纳米技术研究所和辛普森·奎雷研究所的成员。

五年前,Hersam与合作者首次制造了硼烯。硼烯比石墨烯更强、更轻、更柔韧,有望给电池、电子产品、传感器、太阳能电池和量子计算带来革命性的变化。尽管理论研究表明制造双层硼烯是可能的,但包括Hersam在内的研究人员都不相信。

“即使在理论上可行,制造一种新材料还是具有一定挑战性的。”Hersam说,“理论通常不会告诉你实现这种新结构所需的综合条件。”

Hersam的研究团队发现,正确条件的关键是用来生长硼烯的衬底。在这项研究中,Hersam和同事们在平面的银质衬底上培养了硼烯。当暴露在非常高的温度下时,银会在原子级台阶结构之间形成异常平坦的“梯田”。

“当在这些巨大而平坦的‘梯田’上‘种植’硼烯时,我们看到了第二层的形成。”Hersam说,“在无意间发现这个现象后,我们就开始有意关注这个方向。发现第二层结构的时候,其实我们当时并没有特意在寻找它。许多材料的发现都是以这种方式发生的,当你偶然发现一些意想不到的东西时,你必须抓住这个机会。”

这种双层材料既保持了硼烯所有理想的电子学性能,又存在新的优点。例如,这种材料由两层原子层厚的薄片黏合在一起,中间有空间,可用来储存能量或化学物质。

“有理论预测,双层硼烯是一种很有前途的电池材料。”Hersam说,“层与层之间的空间提供了容纳锂离子的地方。”

Hersam的团队期望有更多其他研究人员因此受到启发,生长更厚的硼烯,或者创造出具有不同原子几何结构的双层硼烯。

“钻石、石墨、石墨烯和碳纳米管都是同一种元素(碳)形成的不同结构。”Hersam说,“硼具备与碳一样丰富的可能性。我们相信,我们仍处于二维硼时代的早期阶段。”

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
34赞
大家都在看打开应用 查看全部
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开