北京時間12月28日消息，石墨烯是一種極為強韌的導體材料，由單層石墨原子組成。它的發(fā)現引起了世人對其它二維材料的興趣。在過去十年之內，科學家發(fā)現了數百種這樣的材料。這些材料對電子、熱量管理、過濾、醫(yī)學等領域產生了顯著的影響。
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。
▲硼墨烯結構
原子級的硼
硼是科學家考慮用來研發(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，這意味著它可能會表現出一些獨特的性狀。
此外，硼有著特殊的成鍵能力。它的p軌道上有三個價原子，因此它最多可以形成三個化學鍵。硼原子可以形成堅固的共價鍵，即兩個原子共用兩個外層電子;或形成穩(wěn)定的缺電子鍵，即三個原子共用兩個原子。因此，硼可以形成有著不同三維結構的材料。
然而，絕大多數有關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的實驗。不過，在近期一項發(fā)表在《科學》期刊上的研究中，科學家們成功繞開了這些前體，造出了二維硼材料。他們將這種原子級薄膜稱為“硼墨烯”。
新型二維硼薄膜
在這項最新研究中，科學家使用物理氣相沉積技術制造出了硼薄膜。使用這種方法時，硼在超高級真空下被氣化。氣化后的粒子在真空中轉移到目標平面上(這項研究中采用的是銀)，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構，取決于硼粒子的移動方向和沉積條件。
對這些硼墨烯薄膜的分析顯示，有些薄膜和“硼墨烯”分子結構模型具有一定的相似之處，都是由36個硼原子形成三個相互聯(lián)結的準平面環(huán)，中間留下一個六邊形的空洞。不過，這些新型薄膜并非由單個分子構成，而是由若干層這樣的環(huán)狀結構組成，顯示出面外彎曲振動特征。這些片段會自行形成一個六邊形結構，中間環(huán)繞著一個硼原子，就好像一只蜜蜂坐在蜂巢正中間一樣。此外，科學家還觀察到了其它結構，如一種絲帶狀的材料等。
對這些薄膜的電子特性分析顯示，它們具有類似金屬的性質，但它們的電子特性取決于電流流動的方向。換句話說，電子穿過硼墨烯的方向不同，移動的方式也不同。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。它填補了完全由共價鍵形成的二維材料(如石墨烯)和只有當放置在特定支撐結構上才能保持穩(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，因為它存在著堅固的共價鍵。此外，硼墨烯具有與石墨烯相似的機械性能。在本文討論的例子中，硼墨烯在垂直方向上的機械性能是不同的。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域都有所交集。因此，單層和多層硼墨烯可以說為納米級電子設備和微型機械設備的研發(fā)鋪平了道路。不過，未來該材料能否應用于商業(yè)中，還要取決于科學家是否能統(tǒng)一其制造工藝，而不是像現在這樣，生產出各種性質不同的版本。
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