實現硼烯原子晶體結構的反向調控 | 進展

硼烯是一類由單質硼原子組成的二維材料。與石墨烯不同，由于硼原子的核外比碳原子少一個價電子，因而硼原子之間傾向于通過電子共享形成多中心鍵，從而導致硼烯晶體結構表現為復雜的三角晶格混合六方孔洞的形式。獨特的成鍵方式不僅使得二維硼烯在結構上呈現出多態性，也賦予了硼烯諸如機械柔韌性、透光性、超高的熱電導、一維近自由電子態、金屬性狄拉克費米子以及超導性等優異的性質。目前實驗上已經在不同金屬襯底上實現了多種不同結構的硼烯的制備，然而這些特定硼烯結構的長程有序性與它們和襯底之間的晶格匹配以及界面電荷轉移息息相關。這種襯底依賴性雖然有助于硼烯結構的穩定，同時也使得硼烯的結構變化非常依賴于對襯底的篩選。理論預測表明，通過在硼烯表面引入硼團簇或其他富硼物質可以直接調控硼烯晶格本身，從而有望實現超越襯底約束的原位硼烯晶格反向調制，從本質上達到獨立于襯底約束條件之外去調控硼烯晶格結構的目標。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面物理國家重點實驗室SF09課題組的陳嵐研究員、吳克輝研究員（現錢塘高等研究院）、馮寶杰研究員一直致力于二維硼烯的合成制備以及對其物性的表征研究。2016年課題組率先使用超高真空分子束外延生長（MBE）的方法在Ag(111)襯底上成功制備出了單層硼烯（Nature Chemistry 8, 564 (2016)）。通過對襯底相互作用的精確調控，他們還成功制備出蜂窩狀硼烯（Science Bulletin 63, 282(2018)）、準一維鏈狀混合相硼烯（Advanced Materials 32, 205128 (2020)）、雙層硼烯（Nature Chemistry 14, 25(2022)）等一系列全新的結構。并以單層硼烯為模板成功合成了周期排布幻數B?團簇(PNAS 120, e2215131120 (2023) )。

最近，課題組陳嵐研究員指導博士生馬晨等人利用 MBE在Cu(100)襯底上獲得了高質量的單層硼烯樣品，并通過精確控制生長參數在單層硼烯表面得到了由均一團簇吸附形成的有序排列的一維鏈狀結構，并與中國科學技術大學武曉君教授、呂海峰副研究員課題組進行了第一性原理研究。實驗和理論表明，這些特定尺寸的硼團簇由7個硼原子構成。B?團簇和單層硼烯之間存在強烈的相互作用驅動了硼原子從硼烯本征的位錯位點協同跳躍遷移到相鄰空位，并引發底層硼烯在特定方向上的晶格擴展，從而反向實現了硼團簇對單層硼烯超晶格的周期性調制。這項工作首次在實驗上實現了超越襯底約束的反向硼烯原位超晶格調制，同時對理解團簇-硼烯相互作用提供了基礎性見解，為通過團簇吸附實現襯底支撐特定結構硼烯的可控生長開辟了新途徑。

(a-c)Cu(100)上單層硼烯表面硼團簇吸附得到的結構隨覆蓋度增加的形貌演化。(d)三種不同的一維鏈狀結構的高分辨STM圖像。上：2模式；中：2-3混合模式；下：3模式。(e)上：2模式的一維鏈狀結構的結構模型；中：2模式的一維鏈狀結構的理論模擬STM圖像；下：2模式的一維鏈狀結構的實驗STM圖像。(f)單層硼烯上的硼原子在有無B?團簇誘導的情況下向相鄰孔洞遷移的反應路徑對比。(g)單層硼烯在B?團簇誘導下發生定向的超晶格擴展的示意圖。

相關研究成果發表于Journal of the American Chemical Society 148, 8276 (2026)。物理所博士生馬晨和中國科學技術大學博士生王云蕾為文章的共同第一作者；陳嵐研究員、武曉君教授和呂海峰副研究員為文章的共同通訊作者。相關工作獲得了科技部、國家自然科學基金、國家科技重大專項、中央高校基本科研業務費專項資金、中國科學院基礎研究青年科學家項目、中國科學技術大學超級計算中心等的支持。

編輯：Amyyy