跟着顶刊学测试｜吴克辉研究团队Adv. Mater：扫描隧道显微镜揭示“硼烯”混合链相的形成机理

近年来，石墨烯以外的单元素2D材料由于其非平凡的物理性质和在纳米器件中的潜在应用前景而得到了广泛的实验和理论研究。特别是，2D硼原子片排列在一个三角形格子中，上面有六角孔，叫做硼烯，这引发了一项巨大的研究工作，包括对其性质的理论预测以及在金属表面上的实验制备。目前，已经报道了硼烯的非凡性质，例如1D几乎是自由电子态，金属狄拉克电子的存在预言了超导性，高机械弹性和高导热性。

近日，中科院物理研究所陈岚与吴克辉研究员研究团队以“Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order”为题在Adv. Mater期刊上发表重要研究成果。硼烯的多态性使其成为一种很有前途的实现物理化学性质可调的体系。在实验研究中，经常得到由不同宽度的准一维硼链组成的各种纯硼相。在这里，该研究团队研究表明，由于衬底的介电效应，在Ag（100）晶面上可以实现由不同的硼链组合无缝连接在一起的硼烯的人工长程有序相。扫描隧道显微镜测量和理论计算表明，混合链相比纯相更稳定，与基底的相互作用很弱。根据衬底的晶体方向，可以很好地分离出不同链比例的混合链相。混合链相的成功生长有望加深衬底定制合成硼烯的影响。

图1a显示了沉积在Ag（100）晶面上的硼原子≈0.5单层（ML）的典型扫描隧道显微镜（STM）图像。作者发现一半的表面被黑色的岛所覆盖，这些岛状物连续地穿过Ag（100）基底的台阶，这表明硼烯的形成。仔细观察发现，Ag（100）晶面存在两种类型的岛：I型岛由沿Ag（100）高对称性[110]方向的平行链组成（图1b），而II型岛包含相对于Ag（100）的[110]方向旋转74°的平行链（图1c）。此外，I型岛表现出两种不同的形态：多数形态有较亮的平行链（称为A相），少数形态有较暗的平行链（B相）。总的来说，在Ag（100）表面形成了三种不同的硼烯相，即I型岛上的A、B相，II型岛上的C相。

图1.在Ag(100)晶面上的单层硼烯的扫描隧道显微镜图像。

A相和B相的高分辨率STM图像分别如图2a，b所示。作者清楚地观察到，A相由亮双链和暗单链交替组成，而B相由四条不同亮度水平的平行链组成。根据STM图像，得到了两相的晶格常数分别为28.8±0.4 Å×2.9±0.1Å（A）和20.0±0.3Å×2.9±0.1 Å（B）。在这两个阶段中，链上相邻节点之间的距离与Ag（100）的晶格常数一致（2.89 Å），而A相和B相相邻链之间的平均横向距离分别为4.8和5.0 Å。根据前人在Ag（111）上合成硼烯的研究，β₁₂片中的（2,3）链和χ₃片中的（2,2）链沿链（2.9Å）具有相同的周期，而相邻链间的横向距离分别为5.0和4.3 Å。因此，作者可以合理地假设A是一个单胞内混合有四个（2，3）和两个（2，2）链的硼相[(2,3):(2,2)=2:1]，B是由（2,3）链组成的纯β₁₂相。

图2.I型岛上的硼烯相的扫描隧道显微镜图像。

如图3a所示，C相的高分辨率STM图像显示交替亮的单链和较暗的双链。与相位A和相位B不同，相位C中沿链节点的周期约为12.0±0.2Å，约为（2,3）和（2,2）链上最小周期的四倍。另一方面，相邻链间的平均距离约为4.5Å，比A相的短，但大于Ag（111）上χ₃片中（2,2）链之间的距离。因此，C相很可能由一个（2,3）和两个（2,2）链组成，并且（2,3）链和（2,2）链的比率低于A相[(2,3):(2,2)=2:1]。为确认该模型，对该模型在Ag（100）衬底上进行了第一性原理计算，其中所有链相对于Ag（100）的[110]方向旋转74°，如图3c所示。松弛后，混合链相的整体结构保持完整和平面，表明该模型的稳定性。图3b所示的模拟STM图像与实验STM图像完全一致，完全符合混合链C相的特征。

图3.II型岛上的硼烯相的扫描隧道显微镜图像。

综上所述，作者在Ag（100）晶面上实现了三种类型的硼烯长程有序相。STM测量和DFT计算表明，其中两个相由（2,3）和（2,2）链的规则混合排列组成，其比例分别为2:1和1:2。对电荷转移和形成能的理论计算表明，所有的硼烯单分子膜都是平面的，与Ag（100）表面弱结合。详细的结构分析表明，混合硼链与Ag（100）晶面的晶格参数和取向的匹配对混合链相的形成起着至关重要的作用。结果表明，不同链比的混合链相可以根据衬底的晶向进行很好的分离。值得注意的是，长程有序的混合链相比纯相硼烯承受的应变要小，这表明它们可能显示理论上预测的独立硼烯形式的固有物理性质。

文献链接：Realization of Regular-Mixed Quasi-1D Borophene Chains with Long-Range Order,Adv. Mater. 2020,2005128.

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005128.

本文由科研百晓生供稿。

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