跟著頂刊學測試｜吳克輝研究團隊Adv. Mater：掃描隧道顯微鏡揭示“硼烯”混合鏈相的形成機理?

近年來，石墨烯以外的單元素2D材料由于其非平凡的物理性質和在納米器件中的潛在應用前景而得到了廣泛的實驗和理論研究。特別是，2D硼原子片排列在一個三角形格子中，上面有六角孔，叫做硼烯，這引發了一項巨大的研究工作，包括對其性質的理論預測以及在金屬表面上的實驗制備。目前，已經報道了硼烯的非凡性質，例如1D幾乎是自由電子態，金屬狄拉克電子的存在預言了超導性，高機械彈性和高導熱性。

近日，中科院物理研究所陳嵐與吳克輝研究員研究團隊以“Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order”為題在Adv. Mater期刊上發表重要研究成果。硼烯的多態性使其成為一種很有前途的實現物理化學性質可調的體系。在實驗研究中，經常得到由不同寬度的準一維硼鏈組成的各種純硼相。在這里，該研究團隊研究表明，由于襯底的介電效應，在Ag（100）晶面上可以實現由不同的硼鏈組合無縫連接在一起的硼烯的人工長程有序相。掃描隧道顯微鏡測量和理論計算表明，混合鏈相比純相更穩定，與基底的相互作用很弱。根據襯底的晶體方向，可以很好地分離出不同鏈比例的混合鏈相。混合鏈相的成功生長有望加深襯底定制合成硼烯的影響。

圖1a顯示了沉積在Ag（100）晶面上的硼原子≈0.5單層（ML）的典型掃描隧道顯微鏡（STM）圖像。作者發現一半的表面被黑色的島所覆蓋，這些島狀物連續地穿過Ag（100）基底的臺階，這表明硼烯的形成。仔細觀察發現，Ag（100）晶面存在兩種類型的島：I型島由沿Ag（100）高對稱性[110]方向的平行鏈組成（圖1b），而II型島包含相對于Ag（100）的[110]方向旋轉74°的平行鏈（圖1c）。此外，I型島表現出兩種不同的形態：多數形態有較亮的平行鏈（稱為A相），少數形態有較暗的平行鏈（B相）。總的來說，在Ag（100）表面形成了三種不同的硼烯相，即I型島上的A、B相，II型島上的C相。

圖1.?在Ag(100)晶面上的單層硼烯的掃描隧道顯微鏡圖像。

A相和B相的高分辨率STM圖像分別如圖2a，b所示。作者清楚地觀察到，A相由亮雙鏈和暗單鏈交替組成，而B相由四條不同亮度水平的平行鏈組成。根據STM圖像，得到了兩相的晶格常數分別為28.8±0.4 ?×2.9±0.1?（A）和20.0±0.3?×2.9±0.1 ?（B）。在這兩個階段中，鏈上相鄰節點之間的距離與Ag（100）的晶格常數一致（2.89 ?），而A相和B相相鄰鏈之間的平均橫向距離分別為4.8和5.0 ?。根據前人在Ag（111）上合成硼烯的研究，β₁₂片中的（2,3）鏈和χ₃片中的（2,2）鏈沿鏈（2.9?）具有相同的周期，而相鄰鏈間的橫向距離分別為5.0和4.3 ?。因此，作者可以合理地假設A是一個單胞內混合有四個（2，3）和兩個（2，2）鏈的硼相[(2,3):(2,2)=2:1]，B是由（2,3）鏈組成的純β₁₂相。

圖2.?I型島上的硼烯相的掃描隧道顯微鏡圖像。

如圖3a所示，C相的高分辨率STM圖像顯示交替亮的單鏈和較暗的雙鏈。與相位A和相位B不同，相位C中沿鏈節點的周期約為12.0±0.2?，約為（2,3）和（2,2）鏈上最小周期的四倍。另一方面，相鄰鏈間的平均距離約為4.5?，比A相的短，但大于Ag（111）上χ₃片中（2,2）鏈之間的距離。因此，C相很可能由一個（2,3）和兩個（2,2）鏈組成，并且（2,3）鏈和（2,2）鏈的比率低于A相[(2,3):(2,2)=2:1]。為確認該模型，對該模型在Ag（100）襯底上進行了第一性原理計算，其中所有鏈相對于Ag（100）的[110]方向旋轉74°，如圖3c所示。松弛后，混合鏈相的整體結構保持完整和平面，表明該模型的穩定性。圖3b所示的模擬STM圖像與實驗STM圖像完全一致，完全符合混合鏈C相的特征。

圖3.?II型島上的硼烯相的掃描隧道顯微鏡圖像。

綜上所述，作者在Ag（100）晶面上實現了三種類型的硼烯長程有序相。STM測量和DFT計算表明，其中兩個相由（2,3）和（2,2）鏈的規則混合排列組成，其比例分別為2:1和1:2。對電荷轉移和形成能的理論計算表明，所有的硼烯單分子膜都是平面的，與Ag（100）表面弱結合。詳細的結構分析表明，混合硼鏈與Ag（100）晶面的晶格參數和取向的匹配對混合鏈相的形成起著至關重要的作用。結果表明，不同鏈比的混合鏈相可以根據襯底的晶向進行很好的分離。值得注意的是，長程有序的混合鏈相比純相硼烯承受的應變要小，這表明它們可能顯示理論上預測的獨立硼烯形式的固有物理性質。

文獻鏈接：Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order,?Adv. Mater. 2020, 2005128.

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005128.

本文由科研百曉生供稿。

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