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展望硼烯的化學(xué)合成

2019-12-27 12:21楊金龍
物理化學(xué)學(xué)報(bào) 2019年6期
關(guān)鍵詞:氣相基底沉積

楊金龍

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院,合肥 230026

二維材料因獨(dú)特的尺度具備一系列宏觀材料所未有的物理和化學(xué)性質(zhì),相關(guān)研究不僅充分展示了材料世界的魅力,而且為制造下一代電子器件提供了重要科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。二維材料研究的熱點(diǎn)之一是尋找新的具有更獨(dú)特結(jié)構(gòu)和物性的單原子層材料,以豐富整個(gè)二維材料的家族。自發(fā)現(xiàn)石墨烯之后,國(guó)際上已報(bào)道了數(shù)百種二維材料,它們展現(xiàn)的晶格結(jié)構(gòu)和物性可謂多姿多彩。然而,令人驚訝的是,像石墨烯這樣具有純平面原子結(jié)構(gòu)且由單一元素組成的二維材料一直未見報(bào)道。直到2016年,二維硼單層-硼烯-的出現(xiàn)材料改變了這一局面;它是由美國(guó)西北大學(xué)與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合課題組1和中國(guó)科學(xué)院物理研究所吳克輝課題組2分別在超高真空條件下,在干凈的銀表面上通過(guò)分子束外延技術(shù)沉積高純度硼源制備得到。

需要指出的是,硼烯的理論研究早在上個(gè)世紀(jì)末就已開始3。然而,由于硼烯沒(méi)有對(duì)應(yīng)的層狀體塊結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)進(jìn)展緩慢,使得理論研究在接下來(lái)的十幾年里成為該領(lǐng)域的主角。理論研究者對(duì)硼烯的研究由零維團(tuán)簇外推到二維結(jié)構(gòu),由孤立體系擴(kuò)展到基底狀態(tài),并提出了如何合成二維硼烯的可行途徑4。經(jīng)過(guò)理論研究的充分積累,硼烯最近被上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室成功制備。較為罕見的是,實(shí)驗(yàn)表征發(fā)現(xiàn),銀基底上的硼烯結(jié)構(gòu)與早期理論所預(yù)測(cè)的原子結(jié)構(gòu)完全一致5,完美詮釋了理論研究在新材料發(fā)現(xiàn)中的重要指導(dǎo)作用。同時(shí),硼烯實(shí)現(xiàn)過(guò)程中這種理論與實(shí)驗(yàn)的成功配合為制備其它合成二維材料提供了良好借鑒。

不同于石墨烯的半金屬性,硼烯具有金屬性,是目前報(bào)道的最輕、最薄的金屬體6。另外,硼烯在力學(xué)性質(zhì)方面上是集堅(jiān)、柔、韌于一體的納米材料7,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。然而,硼烯的合成依然是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。當(dāng)前實(shí)驗(yàn)制備硼烯還僅限于昂貴的分子束外延方法,所得樣品尺寸也非常有限。為促進(jìn)硼烯的實(shí)際應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)在基底上化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)大面積高品質(zhì)的硼烯樣品是必經(jīng)之路。鑒于此,南京航空航天大學(xué)張助華教授等人圍繞硼烯制備方面的理論與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析和總結(jié),展望了在特定基底上化學(xué)氣相沉積合成硼烯的可能性。

該綜述已在物理化學(xué)學(xué)報(bào)上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201805080)8。該文系統(tǒng)分析了生長(zhǎng)基底、溫度和前驅(qū)物等重要因素對(duì)硼烯成核和生長(zhǎng)的影響,探討了硼烯可能的生長(zhǎng)機(jī)制及所涉及的理論研究方法,以期能夠幫助實(shí)驗(yàn)者通過(guò)基底選擇、生長(zhǎng)條件控制等手段實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積制備硼烯。該文對(duì)實(shí)現(xiàn)通過(guò)化學(xué)合成制備大面積、高質(zhì)量的硼烯樣品有啟發(fā)作用。

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