​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​​深圳市二维材料孔雀团
硼烯—二维材料新成员

         石墨烯具备了透明导电薄膜所必需的良好导电性和透明性,有望取代ITO广泛应用于触摸屏和显示器等。但是,石墨烯是平面状的,过于坚硬,很难在未来柔性和可穿戴器件中大面积弯曲。那么,问题来了,这可咋办呢?


         目前,直接将二维材料应用于柔性器件尚未有成功的案例,未来理想的柔性器件最大的挑战在于可否弯曲,同时可以延展、压缩甚至可拧扭。“虽然二维材料石墨烯有望成为未来电子器件的理想材料,但是石墨烯是平面状的,很难在柔性、可穿戴器件中弯曲”,莱斯大学科学家说道。



         最近,莱斯实验室理论物理学家BorisYakobson及其合作者研究了银基体表面上生长单原子厚度的硼(已被命名为硼烯,见图一)以及银基体引发硼烯材料在纳米尺度上的振荡行为。按常理,硼烯在银基体上应该为平面状,这样的话,能量最低。但是出乎所有人的意料,当硼原子在银表面生长时,硼烯表现出褶皱或者称波纹形貌(图一b),而银基体努力调整表面结构,尽力地去匹配硼烯波纹形貌。即使把硼烯转移到另外一种基体上,硼烯也会保留其波纹形状,并且继续表现出高度的延展性和其本身固有的电子特性。




        “高导电的石墨烯有望用于未来电子器件”,Yakobson说道,“但是对于需要延展、压缩甚至弯曲的柔性器件,石墨烯过于刚硬,而具有发达波纹结构的硼烯材料可能是未来柔性电子器件理想的材料。通过沉积法生长在银基体上的硼烯可以形成发达的纳米级波纹,如同波浪一样,而且硼烯和银基体粘结力较弱,因而可以转移到其他柔性表面应用于未来柔性、可穿戴电子器件”。


        莱斯课题组还采用计算机模拟分析了原子尺度硼烯材料的物化属性。文章第一作者,Yakobson课题组博士后 ZhangZhuhua介绍说六方形的空隙是形成波纹形状、提高硼烯材料柔软性的主要原因。Zhang还解释道,硼烯可以更好地被视为六边形空隙周期性排列的三角形格子(图二)。


       “与体相硼不同,硼烯材料固有属性是金属性质的,具有较强的电子声子耦合能力,表现出各向异性电导和负泊松比现象,并且硼烯丰富的带隙结构含有狄拉克锥,如同石墨烯一样”,Yakobson说道。


       归因于独特的结构和硼烯与银相互作用力,这个波纹状构象迄今为止是独一无二的。当太多硼原子聚集在银表面的时候,可能引发表层轻微的收缩,zhang补充道。


      相关工作发表在美国化学会ACS NanoLetters上,研究得到了美国能源 SISGR (contract no.DE-FG02-09ER16109),纳瓦尔研究办公室(grant no. N00014-14-1-0669),国家科学基金委(DGE-1324585 and DGE-0824162)等诸多基金的大力支持。

众所周知,石墨烯是目前世界上最硬的二维材料。该研究显示二维硼在某个方向上比石墨烯的强度还要高。如此优越的力学性质,加上特殊的电学性质和热学性质,硼烯的应用前景将十分宽广。


Substrate-Induced Nanoscale Undulationsof Borophene on Silver Nano Letters, 2016,DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b03349

论文作者:Zhuhua Zhang, Andrew J. Mannix, Zhili Hu, Brian Kiraly, Nathan P. Guisinger, Mark C. Hersam & Boris I. Yakobson

论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03349

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