展望硼烯的化學合成

楊金龍

中國科學技術(shù)大學化學與材料科學學院，合肥 230026

二維材料因獨特的尺度具備一系列宏觀材料所未有的物理和化學性質(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與技術(shù)基礎。二維材料研究的熱點之一是尋找新的具有更獨特結(jié)構(gòu)和物性的單原子層材料，以豐富整個二維材料的家族。自發(fā)現(xiàn)石墨烯之后，國際上已報道了數(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；它是由美國西北大學與阿貢國家實驗室聯(lián)合課題組1和中國科學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世紀末就已開始3。然而，由于硼烯沒有對應的層狀體塊結(jié)構(gòu)，實驗進展緩慢，使得理論研究在接下來的十幾年里成為該領(lǐng)域的主角。理論研究者對硼烯的研究由零維團簇外推到二維結(jié)構(gòu)，由孤立體系擴展到基底狀態(tài)，并提出了如何合成二維硼烯的可行途徑4。經(jīng)過理論研究的充分積累，硼烯最近被上述兩個實驗室成功制備。較為罕見的是，實驗表征發(fā)現(xiàn)，銀基底上的硼烯結(jié)構(gòu)與早期理論所預測的原子結(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)中的重要指導作用。同時，硼烯實現(xiàn)過程中這種理論與實驗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，是目前報道的最輕、最薄的金屬體6。另外，硼烯在力學性質(zhì)方面上是集堅、柔、韌于一體的納米材料7，具有廣泛的工程應用前景。然而，硼烯的合成依然是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。當前實驗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。為促進硼烯的實際應用，實現(xiàn)在基底上化學氣相沉積(CVD)生長大面積高品質(zhì)的硼烯樣品是必經(jīng)之路。鑒于此，南京航空航天大學張助華教授等人圍繞硼烯制備方面的理論與實驗研究進展進行了系統(tǒng)分析和總結(jié)，展望了在特定基底上化學氣相沉積合成硼烯的可能性。

該綜述已在物理化學學報上在線發(fā)表(doi:10.3866/PKU.WHXB201805080)8。該文系統(tǒng)分析了生長基底、溫度和前驅(qū)物等重要因素對硼烯成核和生長的影響，探討了硼烯可能的生長機制及所涉及的理論研究方法，以期能夠幫助實驗者通過基底選擇、生長條件控制等手段實現(xiàn)化學氣相沉積制備硼烯。該文對實現(xiàn)通過化學合成制備大面積、高質(zhì)量的硼烯樣品有啟發(fā)作用。