硼原子要逆天：新型二維材料“硼墨烯”堪比石墨烯

北京時(shí)間12月28日消息，石墨烯是一種極為強(qiáng)韌的導(dǎo)體材料，由單層石墨原子組成。它的發(fā)現(xiàn)引起了世人對(duì)其它二維材料的興趣。在過去十年之內(nèi)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了數(shù)百種這樣的材料。這些材料對(duì)電子、熱量管理、過濾、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的影響。

如今，硼原子也將大顯神威，用于制造一種名為硼墨烯的平面材料。

▲硼墨烯結(jié)構(gòu)

原子級(jí)的硼

硼是科學(xué)家考慮用來研發(fā)二維材料的眾多原料之一。硼原子算是一種很有趣的“建造材料”，原因有下述幾種。其一，它是一種半金屬，既有著部分金屬特性，又有一些非金屬特性。作為一種二維材料，這意味著它可能會(huì)表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性狀。

此外，硼有著特殊的成鍵能力。它的p軌道上有三個(gè)價(jià)原子，因此它最多可以形成三個(gè)化學(xué)鍵。硼原子可以形成堅(jiān)固的共價(jià)鍵，即兩個(gè)原子共用兩個(gè)外層電子;或形成穩(wěn)定的缺電子鍵，即三個(gè)原子共用兩個(gè)原子。因此，硼可以形成有著不同三維結(jié)構(gòu)的材料。

然而，絕大多數(shù)有關(guān)制造硼的二維材料的研究目前仍只停留在理論階段。由于它的前體成本較高、且具有毒性，很少有人開展與此有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。不過，在近期一項(xiàng)發(fā)表在《科學(xué)》期刊上的研究中，科學(xué)家們成功繞開了這些前體，造出了二維硼材料。他們將這種原子級(jí)薄膜稱為“硼墨烯”。

新型二維硼薄膜

在這項(xiàng)最新研究中，科學(xué)家使用物理氣相沉積技術(shù)制造出了硼薄膜。使用這種方法時(shí)，硼在超高級(jí)真空下被氣化。氣化后的粒子在真空中轉(zhuǎn)移到目標(biāo)平面上(這項(xiàng)研究中采用的是銀)，并沉積成一層薄膜。研究人員能夠獲得一系列不同的平面硼結(jié)構(gòu)，取決于硼粒子的移動(dòng)方向和沉積條件。

對(duì)這些硼墨烯薄膜的分析顯示，有些薄膜和“硼墨烯”分子結(jié)構(gòu)模型具有一定的相似之處，都是由36個(gè)硼原子形成三個(gè)相互聯(lián)結(jié)的準(zhǔn)平面環(huán)，中間留下一個(gè)六邊形的空洞。不過，這些新型薄膜并非由單個(gè)分子構(gòu)成，而是由若干層這樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，顯示出面外彎曲振動(dòng)特征。這些片段會(huì)自行形成一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)，中間環(huán)繞著一個(gè)硼原子，就好像一只蜜蜂坐在蜂巢正中間一樣。此外，科學(xué)家還觀察到了其它結(jié)構(gòu)，如一種絲帶狀的材料等。

對(duì)這些薄膜的電子特性分析顯示，它們具有類似金屬的性質(zhì)，但它們的電子特性取決于電流流動(dòng)的方向。換句話說，電子穿過硼墨烯的方向不同，移動(dòng)的方式也不同。這一特性的專業(yè)名稱叫做，“電子特性的各向異性”。

硼墨烯vs其它二維材料

這種二維硼墨烯薄膜的確是十分有趣的。它填補(bǔ)了完全由共價(jià)鍵形成的二維材料(如石墨烯)和只有當(dāng)放置在特定支撐結(jié)構(gòu)上才能保持穩(wěn)定的半金屬薄膜(如硅酮)之間的空白。

硼墨烯比硅酮更穩(wěn)定，因?yàn)樗嬖谥鴪?jiān)固的共價(jià)鍵。此外，硼墨烯具有與石墨烯相似的機(jī)械性能。在本文討論的例子中，硼墨烯在垂直方向上的機(jī)械性能是不同的。石墨烯的楊氏模量為340 GPa-nm，而硼墨烯在水平方向上的楊氏模量比石墨烯更高(398 GPa-nm)，在垂直方向上的楊氏模量則比石墨烯要低(170 GPa-nm)。此外，硼墨烯也具有相當(dāng)可觀的硬度。

其它二維材料都沒有該新型硼墨烯薄膜所擁有的特性，即與金屬、半金屬和非金屬三大領(lǐng)域都有所交集。因此，單層和多層硼墨烯可以說為納米級(jí)電子設(shè)備和微型機(jī)械設(shè)備的研發(fā)鋪平了道路。不過，未來該材料能否應(yīng)用于商業(yè)中，還要取決于科學(xué)家是否能統(tǒng)一其制造工藝，而不是像現(xiàn)在這樣，生產(chǎn)出各種性質(zhì)不同的版本。