硼原子大显神威!科学家研制新二维材料”硼墨烯”

石墨烯是一种极为强韧的导体材料,由单层石墨原子组成。它的发现引起了世人对其它二维材料的兴趣。在过去十年之内,科学家发现了数百种这样的材料。这些材料对电子、热量管理、过滤、医学等领域产生了显著的影响。如今,硼原子也将大显神威,用于制造一种名为硼墨烯的平面材料。
硼原子大显神威!科学家研制新二维材料”硼墨烯”的照片

图为硼墨烯结构

原子级的硼

硼是科学家考虑用来研发二维材料的众多原料之一。硼原子算是一种很有趣的“建造材料”,原因有下述几种。其一,它是一种半金属,既有着部分金属特性,又有一些非金属特性。作为一种二维材料,这意味着它可能会表现出一些独特的性状。

此外,硼有着特殊的成键能力。它的p轨道上有三个价原子,因此它最多可以形成三个化学键。硼原子可以形成坚固的共价键,即两个原子共用两个外层电子;或形成稳定的缺电子键,即三个原子共用两个原子。因此,硼可以形成有着不同三维结构的材料。

然而,绝大多数有关制造硼的二维材料的研究目前仍只停留在理论阶段。由于它的前体成本较高、且具有毒性,很少有人开展与此有关的实验。不过,在近期一项发表在《科学》期刊上的研究中,科学家们成功绕开了这些前体,造出了二维硼材料。他们将这种原子级薄膜称为“硼墨烯”。

新型二维硼薄膜

在这项最新研究中,科学家使用物理气相沉积技术制造出了硼薄膜。使用这种方法时,硼在超高级真空下被气化。气化后的粒子在真空中转移到目标平面上(这项研究中采用的是银),并沉积成一层薄膜。研究人员能够获得一系列不同的平面硼结构,取决于硼粒子的移动方向和沉积条件。

对这些硼墨烯薄膜的分析显示,有些薄膜和“硼墨烯”分子结构模型具有一定的相似之处,都是由36个硼原子形成三个相互联结的准平面环,中间留下一个六边形的空洞。不过,这些新型薄膜并非由单个分子构成,而是由若干层这样的环状结构组成,显示出面外弯曲振动特征。这些片段会自行形成一个六边形结构,中间环绕着一个硼原子,就好像一只蜜蜂坐在蜂巢正中间一样。此外,科学家还观察到了其它结构,如一种丝带状的材料等。

对这些薄膜的电子特性分析显示,它们具有类似金属的性质,但它们的电子特性取决于电流流动的方向。换句话说,电子穿过硼墨烯的方向不同,移动的方式也不同。这一特性的专业名称叫做,“电子特性的各向异性”。

硼墨烯vs其它二维材料

这种二维硼墨烯薄膜的确是十分有趣的。它填补了完全由共价键形成的二维材料(如石墨烯)和只有当放置在特定支撑结构上才能保持稳定的半金属薄膜(如硅酮)之间的空白。

硼墨烯比硅酮更稳定,因为它存在着坚固的共价键。此外,硼墨烯具有与石墨烯相似的机械性能。在本文讨论的例子中,硼墨烯在垂直方向上的机械性能是不同的。石墨烯的杨氏模量为340 GPa-nm,而硼墨烯在水平方向上的杨氏模量比石墨烯更高(398 GPa-nm),在垂直方向上的杨氏模量则比石墨烯要低(170 GPa-nm)。此外,硼墨烯也具有相当可观的硬度。

其它二维材料都没有该新型硼墨烯薄膜所拥有的特性,即与金属、半金属和非金属三大领域都有所交集。因此,单层和多层硼墨烯可以说为纳米级电子设备和微型机械设备的研发铺平了道路。不过,未来该材料能否应用于商业中,还要取决于科学家是否能统一其制造工艺,而不是像现在这样,生产出各种性质不同的版本。

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