双层硼烯的原子结构。图片来源：美国西北大学

美国工程师首次创造出一种原子平面的硼烯双层结构，这一壮举挑战了硼的自然倾向，即形成超出单原子层限制的非平面原子团簇。这项研究8月26日发表于《自然—材料》。

尽管因极具潜力的电子特性而闻名，但硼烯—— 一种单原子层厚的硼薄片的合成仍具有挑战性。与它的二维模拟材料石墨烯不同，硼烯不能从大块硼上剥离，必须直接生长在基质上。

如果说生长一层是困难的，那么生长多层硼烯似乎就是不可能的。由于大块硼不像石墨那样是分层的，在单原子层之外生长硼会形成团簇，而不是平面薄膜。

“当你试图长出更厚的原子层时，可以利用硼的体积结构。”西北大学材料研究科学与工程中心主任、该论文资深作者Mark Hersam说，“更厚的硼薄膜可以形成粒子和原子团，而非保持原子平面。因此，关键是要找到阻止集群形成的生长条件。一直以来，这一点很难实现。现在，我们提供了一个新的平台，进入了单个原子层和主体之间的未知领域。”

Hersam与莱斯大学教授Boris Yakobson共同领导了这项工作。5年前，Hersam与合作者首次创造了硼烯，后者比石墨烯更强、更轻、更柔韧，有可能彻底改变电池、电子器件、传感器、太阳能电池和量子计算。尽管理论研究预测双层硼烯是可能的，但包括Hersam在内的许多研究人员都不相信。

“制造一种新材料是具有挑战性的，即使理论研究预测了它的存在。”Hersam说，“理论很难告诉你实现这种新结构所需的合成条件。”

Hersam团队发现，合成条件的关键是培育材料所用的基质。在这项研究中，Hersam和同事在平坦的银基上培育硼烯。当暴露在极高温下时，银聚集在原子级台阶之间，形成异常平坦的大梯级。

“我们在这些大平台上生长硼烯，看到了第二层的形成。”Hersam说，“根据这个偶然的发现，我们有意将精力集中在这个方向。”

双层材料保持了硼烯所有理想的电子性能，同时提供了新优势。例如，这种材料包括两个原子层厚的薄片，它们之间有空间并连接在一起，可以储存能量或化学物质。

“理论预测表明，双层硼烯是一种很有前途的电池材料。在两层之间留出空间可以容纳锂离子。”Hersam说，其团队希望继续增加硼烯层的厚度，或创建具有不同原子几何形状的双层。（晋楠）