硼烯晶格结构依赖载流子浓度

材料通常都有相对固定的晶格结构，如金刚石具有立方结构，而石墨烯为层状的蜂窝结构。在实际应用中，材料的晶格结构也不易受外部环境影响，因而能够提供稳定的性质和功能。近日，南京航空航天大学的张助华（点击查看介绍）团队基于第一性原理的结构搜索发现硼烯的晶格结构取决于包含的载流子浓度。

二维材料是指只有单个或数个原子厚度而面内可达到宏观尺度的一类新材料。二维材料的大部分原子暴露于材料表面，且电子的运动严格局限于二维空间，因而具有宏观材料不具备的诸多新颖物理性质和功能。石墨烯是典型的纯平面二维材料，是除金刚石之外所有碳结构的基本构成单元。然而，除了碳之外，鲜有其他单元素形成的二维材料可像石墨烯这般迷人。

硼在元素周期表中位于非金属碳和金属铍之间，导致硼兼有金属和非金属元素的特性。因此，硼可以形成常规的强共价键，又可形成种类繁多的多中心化学键。由于成键能力和种类胜于碳，硼具有上百种晶体结构。在纳米尺度下，硼的行为变得更奇特，在小尺度下倾向于以类似苯环的平面分子存在，尺度稍大后具有富勒烯形态的笼状结构，在特殊条件下甚至还可形成一维的纳米管和薄膜结构。这些纳米结构促使硼与碳具有惊人的化学相似性。硼的这些小尺度行为引起人们的思考：它是否可以形成类似于石墨烯的单原子层晶体。

早在2007年，理论预测硼可形成类似于石墨烯的单原子层晶体结构，但很长一段时间内一直未能成功制备。金属表面对实验制备二维硼不可或缺，但可能显著改变硼的结构。因此，二维硼研究的首要任务是得到金属表面硼的稳定结构；然而，金属基底使材料体系复杂、计算量庞大，为大规模的结构搜索带来了挑战。张助华团队与美国莱斯大学的Yakobson教授研究组合作，处理金属基底的二维硼形成合金结构，并发展团簇扩展的方法，使之能够有效对这种复杂体系进行基于第一性原理的全局结构搜索。结果发现，二维硼是一种没有特定稳定结构的二维材料，其能量最优结构依赖于金属基底，不同于石墨烯和氮化硼等二维材料。硼与金属表面的相互作用决定其最优稳定的结构：相互作用越强，二维硼倾向于形成更稳定的平面结构（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 127, 13214）。在长期理论探索的指导下，最近两个独立的实验成功在银基底上合成了纯平面的单硼原子层晶体——硼烯，完成了硼纳米结构的最后一块拼图。

由于硼缺电子，硼纳米结构很容易带电荷。在实际应用中，硼烯具有金属性，含有无限量的载流子浓度，由此导致新的问题出现：载流子是否会影响硼烯的结构稳定性。张助华团队与莱斯大学的Yakobson教授研究组继续合作，将团簇展开的方法与第一原理计算结合，分析了硼烯的最优结构对栅压控制载流子浓度的依赖性。在掺杂浓度为3.12 × 10¹⁴ cm^-2，硼烯基态的空心六边形浓度由电荷中性状态的1/8增加到1/7。六边形浓度受电荷掺杂的依赖关系可通过基于电子计数规则的分析方法成功解释。另外，他们发现特定掺杂浓度下不同硼烯结构的相对稳定性不仅取决于平面内电子的杂化，还显著依赖面外硼电子轨道的杂化情况。

该研究成果为硼烯结构的稳定机理提供了新的见解，并为其合成过程中晶格结构的控制提供了新的方法。这种栅压诱导的晶格结构控制还可启发其他基于硼烯的新二维材料的设计。这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的作者还包括Sharmila N. Shirodkar博士、杨旸博士和Boris I. Yakobson教授。

该论文作者为：Zhuhua Zhang, Sharmila N. Shirodkar, Yang Yang and Boris I. Yakobson

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Gate-Voltage Control of Borophene Structure Formation

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15421, DOI: 10.1002/anie.201705459

导师介绍

张助华

http://www.x-mol.com/university/faculty/48489