《Nature Chem.》：中科院物理所合成新型2D硼材料

以石墨烯为代表的二维（2D）材料因其特殊的物理化学性质成为材料学界的焦点，科学家们也在寻找类似石墨烯的新型二维晶体材料。X-MOL也多次报道各种新型二维材料（相关阅读：石墨烯的“表妹”问世——中国科学家制备锡烯；石墨烯，以及那些比石墨烯更牛的各种“烯”；“未来材料”新宠：《Science》报道钾掺杂黑磷，应用或超越石墨烯）。

平面结构的二维硼（也称硼烯, 即borophene）作为理论上的二维材料，其存在的可能性一直受到强烈关注。硼只有三个价电子，必须通过形成框架结构来补偿缺失电子以便更好的共享电子，这造成了硼有多种结构不同的3D多晶形。而且，硼是高熔点、低蒸汽压的材料，有效热蒸发温度超过2000摄氏度，直接进行热蒸发非常困难。此前制备硼的材料主要采取硼化物，易于引入杂质及复杂的化学过程。曾经有几种平面硼簇的制备被报道，但纯硼的平面网格结构至今仍然难以制备。

最近，中国科学院物理研究所吴克辉（Kehui Wu）研究员、陈岚（Lan Chen）副研究员、李晖（Hui Li）副研究员率领的研究团队，利用超高真空分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）直接进行单原子层构筑的方法，在Ag(111)衬底上获得了单层硼烯。他们的论文发表在《Nature Chemistry》上，吴克辉课题组的博士生冯宝杰（Baojie Feng）为论文第一作者。（Experimental realization of two-dimensional boron sheets. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2491）

Ag(111)衬底上利用MBE手段获得的2D硼烯

研究人员利用高纯度耐高温的特种石墨坩埚和电子束加热，实现了超高温度下直接热蒸发硼单质，在Ag(111)衬底上获得了单层硼烯。通过扫描隧道显微镜观察以及计算分析，研究人员发现了两种硼烯单层结构，这与沉积过程中的基底温度有关。570K时，2D硼烯中的硼原子呈现为多排由硼“哑铃”连接的六边形（下图a）；而在650K时，硼原子以类似Z字形排列（下图d）。这两种晶格也与理论预测（β₁₂相和χ₃相）相符。

硼烯的两种形态

硼烯的合成在国际上也是一个竞争激烈的课题，《Science》上早些时候曾刊发了一个美国团队的类似工作，所用的方法与本文非常相近（Science, 2015, 350, 1513-1516）。有趣的是两个团队的投稿时间先后仅相差10天左右，美国团队的投稿还要稍晚一些，而且该文报道了两种硼烯结构，一种与本文相符，而另一种结构却不一样。南京航空航天大学台国安教授为首的研究团队也通过化学气相沉淀法制备出二维硼材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 15473-15477）。他们将硼和氧化硼加热成为气相的B₂O₂，再通过氢气还原将硼原子附着在铜箔表面，该单层为一斜方晶系的γ相硼，由正二十面体B₁₂单元和哑铃状B₂单元互联构成。（相关阅读：硼烯（borophene），二维材料新成员）

总而言之，硼烯的成功合成为二维材料的发展又提供了新的研究方向，其独特的物理化学性质也让它在未来有很广阔的应用空间。

1. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2491.html

2. http://www.iop.cas.cn/xwzx/kydt/201603/t20160331_4577619.html