硼烯材料特性

第一作者：Andrew J. Mannix

通訊作者：Boris I. Yakobson

第一單位：西北大學(xué)（美國）

核心內(nèi)容：

1.理論計算如何指導(dǎo)二維硼烯的實驗合成。

2.硼烯如何為二維材料開拓更大的局面。

自從石墨剝離得到石墨烯取得成功以來，各種各樣的原子級超薄二維材料都陸續(xù)從層狀固體材料中衍生而來。雖然如此，新型二維材料的發(fā)現(xiàn)與合成仍然是材料領(lǐng)域最艱巨的挑戰(zhàn)之一。組成元素、生長基質(zhì)和制備條件等多種因素，都對合成單層二維材料起到了關(guān)鍵作用。

近年來，計算理論、算法和計算機硬件方面的快速發(fā)展，使得科研人員能夠從理論上預(yù)測更加復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)和性能。高精尖的合成儀器和手法也為理論預(yù)測提供了實驗驗證的途徑。理論和實驗的交互驗證，開辟了眾多全新的二維材料，如硅烯、鍺烯、錫烯、銻烯、鉍烯和碲烯等等。

有鑒于此，美國西北大學(xué)Boris I. Yakobson 和Mark C. Hersam課題組，闡述了如何通過計算預(yù)測與實驗證實，來制備單層硼烯二維材料。

圖1 硼烯結(jié)構(gòu)和性能總結(jié)

硼烯具有各向異性和金屬性，因此被描述為最輕的二維金屬，同時也表現(xiàn)出獨特的機械、光學(xué)和各向異性金屬性，這是對傳統(tǒng)二維材料的補充。硼-硼鍵的多中心特性致使其在結(jié)構(gòu)上容易形成空位結(jié)構(gòu)，因此在電子應(yīng)用、化學(xué)官能化、材料合成和復(fù)雜結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面，為二維材料領(lǐng)域提供了前所未有的多樣性。

圖2 硼結(jié)構(gòu)和化學(xué)基礎(chǔ)

圖3 二維硼在真空和基底上的計算模擬理論

由于塊狀硼結(jié)構(gòu)不是天然分層的，因此硼烯本質(zhì)上是亞穩(wěn)態(tài)的，總能量比塊狀硼高。這種亞穩(wěn)定性表明需要合適的基底來合成二維硼烯。理想情況下，這樣的基底會表現(xiàn)出對硼原子足夠的附著力，使得沉積的硼負載在其表面，同時又不會足夠牢固地與硼結(jié)合，形成化合物。

經(jīng)過計算表明，銀基底可以滿足這些條件。由于二維原子核可以完全與基底相互作用以降低其形成能，與三維原子核相反，其中只有一部分硼原子可以受益于基底的相互作用，所以二維生長具有較小的成核勢壘。一旦硼以二維模式成核，在動力學(xué)上則不傾向于形成三維結(jié)構(gòu)。

圖4 硼烯的實驗合成

圖5 硼烯的未來應(yīng)用前景

總之，二維多晶型硼烯可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)各向異性和空位結(jié)構(gòu)，來改變原子級薄層材料的性能，為二維材料打開了新的一扇窗戶。

文獻鏈接：

AndrewJ. Mannix, , Boris I. Yakobson , Mark C. Hersam et al. Borophene as a prototypefor synthetic 2D materials development. Nature Nanotechnology 2018, 13, 444–450.

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“硼墨烯”（Borphene）是美國能源部阿貢國家實驗室、西北大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校的科學(xué)家首次創(chuàng)造出的具有單層平面原子結(jié)構(gòu)的二維的硼。這是繼石墨烯之后又加入“烯”字家庭的新成員。

但是何為硼墨烯呢，它與我們熟知的石墨烯又有什么相同和不同之處呢？且聽小編為您解讀：

神奇的硼墨烯

硼墨烯是由單層硼原子構(gòu)成的。硼資源豐富，且原子量低、質(zhì)量輕、經(jīng)濟性好。硼在元素周期表里的位置十分特殊，位于硼元素兩側(cè)的其他元素成鍵方式都與之大為不同，因而硼有著特殊的成鍵能力。硼是一種性質(zhì)介于金屬和非金屬之間的元素，它有三個最外層電子，因此它最多可以形成三個化學(xué)鍵，在形成化學(xué)鍵時具有較強的共價鍵傾向。

硼墨烯與硼薄膜

硼墨烯的結(jié)構(gòu)是36個硼原子形成三個相互連接的準(zhǔn)平面環(huán)，在中間留下一個六邊形的空洞。在這項最新的研究中，科學(xué)家使用物理氣相沉積技術(shù)制造出了硼薄膜。硼首先在超高級真空下被氣化，氣化后的粒子在真空中轉(zhuǎn)移到銀制靶平面上，沉積成一層薄膜。在獲得的硼墨烯薄膜中，有些薄膜與“硼墨烯”分子結(jié)構(gòu)具有相似的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，而與“硼墨烯”不同的是，這些新型薄膜是由若干層這樣的環(huán)狀結(jié)構(gòu)組成，顯示出面外玩去振動特征。重要的是，這些薄膜具有類似金屬的電子特性——“電子特性的各向異性”，即它們的電子特性取決于電流流動的方向。

硼墨烯的優(yōu)勢

硼墨烯薄膜填補了完全由共價鍵形成的二維材料（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。

硼墨烯具有堅固的共價鍵，因而它比硅酮更穩(wěn)定。此外，硼墨烯具有與石墨烯相似的機械性能，并且具有相當(dāng)可觀的硬度。

硼墨烯薄膜與金屬、半金屬和非金屬三大領(lǐng)域都有所交集，這是其它二維材料都沒有的特性。

展望硼墨烯

因為硼墨烯同時具有金屬性和原子厚度，因而硼墨烯可能廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品到光伏等領(lǐng)域。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。那么，具有這些優(yōu)異性能的硼墨烯，在未來能否像石墨烯一樣在不同領(lǐng)域大展身手呢，讓我們拭目以待！

來源：新材料在線

六方氮化硼(h-BN)基復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能、高溫耐熱性、抗熱震性、耐燒蝕性能、介電透波性能、抗熔融金屬侵蝕性能和可加工性等十分優(yōu)異,而且還可以通過晶粒排列的織構(gòu)化賦予明顯各向異性,在航空航天、電子、冶金、機械、能源等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景,因此受到各國材料科技工作者和工業(yè)界的重視天元以石墨烯和六方氮化硼兩種二維原子晶體材料為主,面向宏觀功能應(yīng)用,通過化學(xué)氣相沉積方法制備大面積高質(zhì)量單層石墨烯和六方氮化硼,針對其功能涂層性質(zhì)、親疏水性、多層石墨烯的氣流致生電效應(yīng)以及氧化鋅納米薄膜中的波動勢進行了系統(tǒng)深入地研究,取得如下主要研究進展:

1.單層六方氮化硼的可控生長及其抗氧化、減摩擦的涂層性質(zhì):天元系統(tǒng)地研究了六方氮化硼在銅孿晶上的化學(xué)氣相沉積行為。發(fā)現(xiàn)在無氧環(huán)境下六方氮化硼傾向于在孿晶窄帶上生長。引入氧可以有效抑制這種選擇性,實現(xiàn)均勻生長。第一性原理計算揭示其原因是氧輔助下前驅(qū)物分子的脫氫能壘的降低。此外,發(fā)現(xiàn)通過化學(xué)氣相沉積法生長的高質(zhì)量大面積單層六方氮化硼能顯著的調(diào)節(jié)基底表面的摩擦、氧化以及絕緣性能。結(jié)合六方氮化硼高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性,這些優(yōu)異的涂層性質(zhì)使其在功能涂層材料方面具有重要應(yīng)用價值。

2.六方氮化硼和石墨烯與基底材料無關(guān)的獨特潤濕性能:天元研究揭示出新生長的六方氮化硼薄膜的接觸角和基底材料以及六方氮化硼層數(shù)無關(guān)。第一性原理計算和范德華作用分析證實單層六方氮化硼可以有效地調(diào)節(jié)水分子和不同基底間的作用,而使得不同基底材料具有表觀趨同的疏水性。暴露在空氣中后,由于表面吸附空氣中的有機分子,六方氮化硼和石墨烯的接觸角都會單調(diào)增加,很快達到一個與基底材料無關(guān)的飽和值。這一飽和接觸角對基底材料、層數(shù)以及溶液離子種類等多個因素的變化都幾乎沒有響應(yīng),并在長達八個月的實驗跨度內(nèi)保持不變,顯示了其潤濕統(tǒng)一性和穩(wěn)定性。這一特殊的單原子層覆層的潤濕性質(zhì)具有重要的實用性。

3.多層石墨烯的Seebeck系數(shù)與氣流致生電以及氧化鋅納米薄膜的波動勢:我們發(fā)現(xiàn)通過轉(zhuǎn)移-堆疊制備的1-8層石墨烯Seebeck系數(shù)在第六層時達到最大值,是單層石墨烯的1.8倍,而其氣流致生電電壓在第五層達到最大值,是單層石墨烯的1.9倍。天元在石墨烯之外的材料體系中首次觀察到波動勢效應(yīng),發(fā)現(xiàn)含離子的溶液表面沿柔性透明的氧化鋅納米薄膜波動時會產(chǎn)生電壓。氧化鋅薄膜中這種感應(yīng)電壓會隨著運動速度線性增加,開路電壓可達數(shù)十毫伏,短路電流可達微安級別。此外,這種感應(yīng)生電可以通過串并聯(lián)有效放大。理論模擬表明氧化鋅納米薄膜較低的載流子濃度和遷移率使其和其他金屬性納米薄膜相比在收集環(huán)境能方面有著明顯的優(yōu)勢。

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