中科院物理所吳克輝Sci.Bull.：硼也能形成蜂窩狀二維晶格結構

【引言】

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。由于硼原子只有三個價電子，因此與石墨烯類似的蜂窩狀結構并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被證明是可以穩定存在的。2015年，中科院物理所的吳克輝研究組率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進行單原子層構筑的方法，在Ag(111)襯底上獲得了這種理論期待已久的單層硼烯，并發現了硼烯的多種相，對應于三角晶格中的不同周期空洞結構。

然而，蜂窩狀結構的硼烯仍然強烈的吸引著研究者的目光。首先，獨特的二維六角蜂窩狀結構天然賦予了硼烯狄拉克錐的能帶結構。于是，大多數在石墨烯中發現的新奇的量子效應，都有望在硼烯中獲得相應的體現，例如其無質量、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于電聲子耦合，其中金屬性的硼原子層被認為起到了關鍵性的作用。因此六角蜂窩狀結構的硼烯甚至有可能實現單層硼烯的超導。但是二硼化鎂并非層狀結構，其中的硼原子層無法獨立存在。

【成果簡介】

基于上述原因，中科院物理所的吳克輝研究組繼續深入開展硼烯薄膜的制備工作，開創性地采用了單晶Al(111)作為基底，通過制備條件的精確控制，最終成功地制備出了蜂窩狀結構的硼烯薄膜。該工作已在Science Bulletin 2018年第5期以“Boron can form a purely honeycomb 2D structure”為題作為封面文章報道。他們利用高分辨的掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microscopy，STM）觀察到了硼烯完美的六角蜂窩狀結構，晶格周期為0.29nm，與理論預言中自由狀態下硼烯薄膜的0.3nm晶格周期接近。由于局域應力的存在，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，但這并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臺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。

雖然以往的理論計算表明蜂窩狀結構的硼烯并不能穩定存在，但是在單晶Al(111)基底上卻成功地實現了這一結構的單層硼烯，說明了Al(111)作為基底起到了十分重要的作用。通過第一性原理的計算，Al(111)基底向硼烯薄膜的單個硼原子具有接近1個電子的電荷轉移，有效地解決了硼原子在形成蜂窩狀結構的過程中電子缺失的現象，對于蜂窩狀結構的硼烯的穩定存在起到了至關重要的作用。

【圖文導讀】

圖1 Al(1 1 1)單晶襯底上制備的六角蜂窩狀單層硼烯的高分辨STM圖像

【小結】

該工作發現了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，為進一步發現包括狄拉克錐形能帶結構、超導電性等奇異電子特性奠定了基礎，也為可能的基于硼烯的電子器件提供了誘人的前景。

文獻鏈接：Boron can form a purely honeycomb 2D structure（Sci. Bull., 2018, DOI:10.1016/j.scib.2018.02.006）

該項目由國家重點研發計劃（2016YFA0300904，2016YFA0202301），國家自然科學基金（11334011，11674366，11674368），中科院戰略性先導科技專項（XDB07010200，XDPB06）提供支持。

本文由Science Bulletin編輯部供稿，特此感謝！

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