硼烯是单原子层的二维硼材料。硼的缺电子性使其易于形成多中心键，从而使硼烯拥有极其多样的晶格结构。硼烯是最初由理论预测而被后续实验跟进并成功合成的典型人造二维材料。它是世界上首个由轻元素构成的二维金属体，并具有狄拉克电子性质和近红外波段的等离激元性能。另外，硼烯所含的多中心键赋予它丰富的化学性质，导致化学活性比石墨烯强。理论还证明硼烯在力学上是集坚、柔、韧于一体的二维材料，克服了其它二维材料坚有余而韧不足的缺点。这些性质使得硼烯在复合材料设计、柔性电子器件、光控器件等方面具有广阔应用前景。

南京航空航天大学的郭万林教授（点击查看介绍）和张助华教授（点击查看介绍）团队多年来围绕硼烯的结构、物性和生长开展了系统深入的研究。最近，他们通过理论指导实验发现硼烯晶体易于形成一种不引入额外晶格缺陷的特殊晶界，称为共格孪晶界。由于这种晶界对晶体结构的扰动较小，具有很高的稳定性，常见于金属材料中，但在二维材料中较为少见。通过理论计算发现，共格孪晶界的形成是由于硼烯在衬底上的方向选择性，其具有极低的形成能（≈0.2 eV/nm）和较低的迁移势垒（<1.9 eV）。进一步计算和分析表明，共格孪晶界可迁移并自组装，最终形成特殊的六边形超晶格相。基于这些理论预测，美国西北大学Mark C. Hersam教授（点击查看介绍）课题组通过提升硼烯的合成温度，利用分子束外延方法在Ag(111)衬底上合成了这种由超晶格组装形成的新硼烯相，并用高分辨电镜表征手段证实了硼烯的孪晶界结构。

孪晶晶界自组装形成的硼烯超晶格结构（左）及实验STM图像（右）

在传统铸造业中，通常会在金属或合金材料中引入位错或晶界达到提高材料力学性能的目的，但已有的研究基本都显示在二维材料中引入晶界会降低其力学性能。然而，该团队的研究表明在硼烯中引入共格孪晶界后其力学性能 (如杨氏模量、强度) 均有所提升。另外，所形成的超晶格硼烯相在其费米能级附近出现高度定域化的电子态等，可进一步用于研究强关联效应和超导等物理现象。

该研究成果丰富了硼烯的结构多样性，揭示了硼烯中晶界的形成及迁移机理，为后续探索硼烯中的新奇物理现象提供了平台，也为开发具有更加优良物理化学性质的硼烯材料提供了新的选择。

论文发表于Nano Letters, 第一作者为刘立仁博士，通讯作者为张助华教授、郭万林院士和Mark C. Hersam教授，共同作者还包括轩啸宇，以及美国西北大学的刘晓龙博士和莱斯大学的Boris I. Yakobson教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Borophene Concentric Superlattices via Self-Assembly of Twin Boundaries

Liren Liu, Zhuhua Zhang, Xiaolong Liu, Xiaoyu Xuan, Boris I. Yakobson, Mark C. Hersam, Wanlin Guo

Nano Lett., 2020, 20, 1315-1321, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04798

导师介绍

郭万林

https://www.x-mol.com/university/faculty/37831

张助华

https://www.x-mol.com/university/faculty/48489

Mark C. Hersam

https://www.x-mol.com/university/faculty/409