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硼也能形成蜂窝状二维晶格结构

已有 858 次阅读 2018-3-14 16:06 |个人分类:《科学通报》|系统分类:论文交流

 

硼的二维稳定结构通常认为是带空洞的三角网格结构。中科院物理所吴克辉研究组利用衬底电荷调控成功获得蜂窝状结构的二维硼结构,展现了人工调控二维原子晶体的丰富可能性。该工作已在Science Bulletin 2018年第5期作为封面文章报道。

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硼烯是指由硼元素构成的二维平面结构,其存在的可能性一直受到理论研究者的强烈关注。由于硼原子只有三个价电子,因此与石墨烯类似的蜂窝状结构并不是一种能量上稳定存在的硼烯结构。相反,以三角形密堆积晶格为基础的孔洞型结构被证明是可以稳定存在的。2015年,中科院物理所的吴克辉研究组率先利用超高真空分子束外延(MBE)直接进行单原子层构筑的方法,在Ag(111)衬底上获得了这种理论期待已久的单层硼烯,并发现了硼烯的多种相,对应于三角晶格中的不同周期空洞结构。

然而,蜂窝状结构的硼烯仍然强烈的吸引着研究者的目光。首先,独特的二维六角蜂窝状结构天然赋予了硼烯狄拉克锥的能带结构。于是,大多数在石墨烯中发现的新奇的量子效应,都有望在硼烯中获得相应的体现,例如其无质量、手性、相对论性的电子在电场与磁场中表现出的反常的物理现象,极高的载流子迁移率等。其次,规则的六角蜂窝状结构的硼原子层在自然界中其实是存在的。人们所熟知的超导材料二硼化镁就是由六角蜂窝状结构的硼原子层与三角密堆积结构的镁原子层交替排列形成的。二硼化镁的超导电性来源于电声子耦合,其中金属性的硼原子层被认为起到了关键性的作用。因此六角蜂窝状结构的硼烯甚至有可能实现单层硼烯的超导。但是二硼化镁并非层状结构,其中的硼原子层无法独立存在。

基于上述原因,中科院物理所的吴克辉研究组继续深入开展硼烯薄膜的制备工作,开创性地采用了单晶Al(111)作为基底,通过制备条件的精确控制,最终成功地制备出了蜂窝状结构的硼烯薄膜。他们利用高分辨的扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling MicroscopySTM)观察到了硼烯完美的六角蜂窝状结构,晶格周期为0.29nm,与理论预言中自由状态下硼烯薄膜的0.3nm晶格周期接近。由于局域应力的存在,硼烯薄膜还呈现出具有较大周期的三角形周期性起伏结构,但这并不影响硼烯本身的蜂窝状晶格。同时这种蜂窝状结构在跨越衬底的台阶时也保持了连续不间断的特点,为硼烯的单层平面蜂窝状结构提供了又一有力佐证。

虽然以往的理论计算表明蜂窝状结构的硼烯并不能稳定存在,但是在单晶Al(111)基底上却成功地实现了这一结构的单层硼烯,说明了Al(111)作为基底起到了十分重要的作用。通过第一性原理的计算,Al(111)基底向硼烯薄膜的单个硼原子具有接近1个电子的电荷转移,有效地解决了硼原子在形成蜂窝状结构的过程中电子缺失的现象,对于蜂窝状结构的硼烯的稳定存在起到了至关重要的作用。

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Al(1 1 1)单晶衬底上制备的六角蜂窝状单层硼烯的高分辨STM图像


该工作发现了硼原子形成的一种全新的同质异形结构,实现了学术界期待已久的平面六角蜂窝状结构的硼烯,为进一步发现包括狄拉克锥形能带结构、超导电性等奇异电子特性奠定了基础,也为可能的基于硼烯的电子器件提供了诱人的前景。

该项目由国家重点研发计划(2016YFA03009042016YFA0202301),国家自然科学基金(113340111167436611674368),中科院战略性先导科技专项(XDB07010200XDPB06)提供支持。


更多详情请阅原文:

Wenbin Li, Longjuan Kong, Caiyun Chen, Jian Gou, Shaoxiang Sheng, Weifeng Zhang, Hui Li, Lan Chen, Peng Cheng, Kehui Wu, Experimental Realization of Honeycomb Borophene, Science Bulletin, 2018, Vol.63, No. 5: 282-286

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927318300707




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