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中美科学家联手攻克世界难题,纳米材料“硼烯”诞生
金陵 2015-12-31
导语

一个困扰世界凝聚态物理和材料物理界多年的难题近日被攻克。来自美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家首次获得了只有单原子厚度的二维硼材料——“硼烯”。该材料因其优越的电学、力学、热学属性,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”。

南开大学团队主持理论计算,《科学》杂志刊登论文并重点推荐

硼烯在银表面的结构示意图(红色,暗红色表示硼原子的起伏)

硼烯结构示意图

南开新闻网讯 一个困扰世界凝聚态物理和材料物理界 多年的难题近日被攻克。来自美国阿贡国家实验室、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校、美国西北大学的科学家首次获得了只有单原子厚度的二维硼材料——“硼烯”。该材料因其优越的电学、力学、热学属性,被科学界寄予厚望,或将成为继石墨烯之后又一种“神奇纳米材料”。相关研究发表在18日出版的《科学》杂志上。《科学》《自然》分别刊登评论文章进行亮点报道。

石墨烯是一种呈蜂巢状排列的单层碳原子结构,是目前已知的最薄、最坚硬的纳米材料,具有优良的物理化学性能,已被广泛应用于超级计算机、光子传感器、基因测序、太阳能电池等领域。

随着石墨烯的发现和应用,科学家大力探索周期表上其他元素是否也能形成单原子层二维材料。而与碳相邻的5号化学元素硼自然而然吸引了科学家的目光。然而,这一猜想的实现过程异常艰难。

石墨本身是由许多二维石墨烯堆叠而成,可以被整层“撕开”,进而获得单层石墨烯。但二维硼烯则不具备这样的属性,它不会自然出现,只能人工合成。虽然已确定的硼元素的同位异形体有16种之多,但此前科学家从未制作出整张的单层硼烯。

硼烯的结构及其在银的表面生长示意图

硼烯的理论结构预测已逾10年之久,从未成功合成。即便有个别的薄膜等样品,也由于其结构异常复杂而难以表征。因此,硼烯的制备成为国际凝聚态物理及材料物理界公认的世界难题。

2014年,南开大学物理科学学院周向锋教授、王慧田教授和纽约州立大学石溪分校奥甘诺夫教授等基于进化算法结合第一性原理计算,预测了一个独特的二维硼结构。该结构具有与石墨烯类似的狄拉克锥现象,但不是完美的锥形,导致新颖的各向异性的输运性质。他们认为,如果能找到合适的衬底生长这种二维硼结构,将是继IV族元素后,第二类纯元素体系中出现零质量的狄拉克-费米子效应的材料。

此项研究进一步激发了实验学家挑战合成硼烯的兴趣。美国阿贡国家实验室、南开大学、纽约州立大学石溪分校和西北大学等研究单位共同合作,利用高 真空原子溅射的方法,首次在银的表面成功生长出褶皱的单原子层硼烯。该实验结果与理论模型几乎完全符合。南开大学团队承担了该研究的理论计算工作。

此次获得的二维硼烯材料具有优越的各向异性的电导性质和罕见的“负泊松比”的现象。所谓“各向异性电导”是指由于硼烯的原子排列结构使得其表面 呈现出“褶皱”,而这样的结构决定了硼烯导电属性具有方向性。而水平拉伸导致垂直方向膨胀的“负泊松比”现象也令硼烯的应用前景更加多样化。

硼烯表面的褶皱(本图来自《自然》杂志“单原子层硼烯加入二维材料俱乐部”一文)

“众所周知,石墨烯是目前世界上最硬的二维材料。我们的研究显示二维硼在某个方向上比石墨烯的强度还要高。如此优越的力学性质,加上它的特殊的 电学性质和热学性质,硼烯的应用潜力十分巨大。”周向锋介绍,不同衬底材料、不同温度、不同厚度等条件下“生长”出来的硼烯也会呈现结构的多样性,从而决 定了功能的多样性。

“我们的工作是实验上拉开了合成这个新材料的序幕,相信不久的将来将有更多特别性质的硼烯出现。”周向峰说。

介绍该成果的评论文章“拨开最薄硼烯的迷雾”同期刊登于《科学》杂志上。《自然》杂志也刊发题为“单原子层硼烯加入二维材料俱乐部”的亮点报道。

据了解,该工作获得国家重点基础研究发展计划(973)、国家自然科学基金、教育部新世纪及南开大学“百名青年学科带头人培养计划”的资助。

《科学》论文链接:

http://www.sciencemag.org/content/350/6267/1513.abstract

《科学》评论文章链接:

http://www.sciencemag.org/content/350/6267/1468

《自然》评论文章链接:

http://www.nature.com/news/atom-thin-borophene-joins-2d-materials-club-1.19060

(本文资料来自南开大学网站http://www.nankai.edu.cn/,由e科编辑整理)

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文章评论(1)
金陵[北京大学]

如今的科研模式就是开放合作,闭门造车的时代已经过去了

976天前 | 回复
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作者 金陵

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北京大学

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