硼烯在特高壓條件下暴露于原子氫下的氫化反應

石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料。繼石墨烯之后，科學家希望找到更多具有優(yōu)良特性的二維材料。被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然存在，只能人工合成。其結構也是異常復雜。因此，硼烯的制備成為國際凝聚態(tài)物理及材料物理界公認的世界難題。硼或硼烯的二維晶型因其各向異性的金屬性、相關的電子現(xiàn)象和多樣的超晶格結構而受到人們的關注。雖然研究者已經(jīng)實現(xiàn)了硼烯的異質(zhì)結構，但硼烯的有序化學改性尚未有報道。

近日，來自美國西北大學的Mark C. Hersam等研究者，在超高真空條件下，利用原子氫對硼烯進行氫化反應，合成得到“硼烯”晶型。

自硼烯實驗初步實現(xiàn)以來，其研究主要集中在，其不同的多態(tài)性和預測性質(zhì)上，包括二維各向異性金屬性、高機械強度和柔韌性、聲子超導性等。然而，硼烯在空氣中會迅速氧化，這將實驗表征限制在超高真空(UHV)條件下，也給將硼烯集成到實際設備帶來了挑戰(zhàn)。眾所周知，化學鈍化可以抑制電子材料的環(huán)境氧化。例如，硅表面懸垂鍵的單氫化物終端，最大限度地減少了天然氧化物的形成，二維黑磷的共價修飾，提高了形態(tài)穩(wěn)定性，并在環(huán)境條件下保持了電子性能。第一性原理計算表明，硼烯也可以通過表面加氫來穩(wěn)定。

除了鈍化，化學功能化，也可以調(diào)節(jié)二維材料的電子特性。例如，通過將碳鍵構型從sp2轉換為sp3，將石墨烯氫化形成石墨烯可根據(jù)氫表面濃度，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的帶隙。從石墨烯中汲取靈感，對硼烯進行了理論上的探索。預測的電子性質(zhì)，包括金屬、半導體和超高費米速度和熱導狄拉克特性等。雖然基于無機鹽的化學反應合成的硼烯納米片已有報道，但硼烯多晶型的原子定義明確的合成和表征尚未實現(xiàn)。

在此，研究者報道了硼烯在特高壓條件下暴露于原子氫下的氫化反應。與硼烯的高度多態(tài)性相似，研究者觀察到8種不同的硼烯多晶型。其中，研究者詳細研究了矩形v1/6-30°硼烯(簡稱為rect-v1/6-30°)的鍵合結構和性能，因為它具有較高的表面氫覆蓋和高度有序的結構。特別的是，通過結合掃描隧道顯微鏡和光譜學(STM和STS)、非彈性電子隧道光譜學(IETS)和密度泛函理論(DFT)，研究發(fā)現(xiàn)，rect-v1/6-30°硼烯的鍵，由兩中心二電子(2c2e) B-H鍵和三中心二電子(3c2e) B-H-B鍵組成。原位局部功函數(shù)的測量結果支持了理論預測，即rect-v1/6-30°硼烯的功函數(shù)比v1/6-30°硼烯的功函數(shù)低。此外，根據(jù)X射線光電子能譜(XPS)顯示，與在環(huán)境條件下幾乎瞬間氧化的原始硼不同，即使在環(huán)境暴露一周后，硼烯的氧化作用仍然可以忽略不計。

圖1 硼烯晶型的原子表征。

圖2 矩形v1/6-30°硼烯的結構和電子性能。

圖3 矩形v1/6-30°硼烯功函數(shù)表征。

圖4 硼烯在環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。

硼烯晶型，是具有修飾局部功函數(shù)的金屬晶型，可以通過氫的熱解吸，可逆地恢復到原始硼烯。氫化還可提供化學鈍化，因為在環(huán)境暴露后，硼烯可降低氧化率兩個數(shù)量級以上。