大化所杨学明院士团队Angew：超窄一维硼纳米带的形成

近日，中国科学院大连化学物理研究所杨学明院士团队与南方科技大学李隽教授团队、以及美国布朗大学王来生教授合作，在硼纳米带研究方面取得重要进展。利用分子束外延技术沉积硼单质，在金单晶基底上首次获得了超窄一维硼纳米带，带宽自限为1 纳米，无基底模板依赖，边缘具有对应局域自旋极化的电子态。相关研究成果发表于Angewandte Chemie International Edition（《德国应用化学》）。共同通讯作者包括于淼教授、马志博研究员、王阳刚教授和杨学明院士。共同一作包括王昊晨博士、丁鹏程博士、夏广杰博士和赵祥云博士。

图1. Au(111)基底上超窄一维硼纳米带的形成

和碳相似，单质硼具有丰富的同素异形体。在自然界中，硼元素通常以三维结构存在。通过面内电子共享，硼也以二维形式存在，形成二维硼墨烯。硼的各同素异形体都独具特色。例如，硼墨烯具有声子介导的超导性、高热导率、金属狄拉克费米子和高机械强度等特性。理论预测表明，一维硼单质也可以稳定存在，并可能产生新的物化特性。实验上，前人成功获得了硼墨烯的条纹相和依赖于基底台阶的窄带硼。然而，获得真正意义上的一维硼仍极具挑战。

该工作采用超高真空扫描隧道显微学结合密度泛函和分子反应动力学计算。结果表明，单原子硼在表面不稳定，可以轻易渗透到基底亚表层，并在亚表层迁移，相互键合为有序结构。该结构的宽度具有自限性。每根纳米带由一对锯齿型硼原子链组成，每条链的最宽和最窄处均为两个硼原子。所得纳米带镶嵌于基底最表面金原子层之中，由表层排出的金原子覆盖。扫描隧道谱显示，这些纳米带具有明显的边缘态。归属于其边缘的自旋极化，呈铁磁性耦合。

除了成功合成了超窄硼纳米带，该研究揭示了金单晶基底上硼自发一维化的有趣动力学过程。作为硼材料家族的新成员，这种边缘铁磁耦合、自旋极化的一维硼也为开发更多低维硼及其特性提供了更广阔的前景。

这项工作得到了国家自然科学基金（22272041、22033005、22022504）、美国国家科学基金（CHE-2403841）和广东省催化重点实验室（No.2020B121201002）项目资助。计算资源得到了南方科技大学计算科学与工程中心和化学系高性能超级计算集群的支持。

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Formation of Supernarrow Borophene Nanoribbons

Haochen Wang, Pengcheng Ding, Guang-Jie Xia, Xiangyun Zhao, Wenlong E, Miao Yu, Zhibo Ma, Yang-Gang Wang, Lai-Sheng Wang, Jun Li, Xueming Yang

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202406535

导师介绍

杨学明

https://www.x-mol.com/university/faculty/178535