研究人员发现了一种新的二维材料，证实了十年前的预测。
十多年前，莱斯大学的材料科学家博里斯·雅科布森预测，硼原子会与铜紧密结合，从而无法形成硼烯，这是一种具有灵活性和金属性的二维材料，具有在电子、能源和催化领域的潜力。现在，新的研究表明，该预测是正确的，但并不是以任何人预期的方式。
与铜上的石墨烯等系统不同，后者的原子可能会在不形成明显合金的情况下扩散到基体中，这里的硼原子形成了一种定义明确的二维铜硼化物——一种具有独特原子结构的新化合物。研究结果发表在《科学进展》中，由莱斯大学和西北大学的研究人员完成，为进一步探索相对未开发的二维材料类别奠定了基础。
“硼烯仍然是一种处于存在边缘的材料，这使得关于它的任何新发现都变得重要，推动了我们在材料、物理和电子学方面的知识边界。”雅科布森说，他是莱斯大学的卡尔·F·哈瑟尔曼工程教授、材料科学与纳米工程以及化学系教授。“我们首次的理论分析警告说在铜上，硼的结合力过强。现在，十多年后，我们发现我们是对的——结果不是硼烯，而是完全不同的东西。”
之前的研究成功地在银和金等金属上合成了硼烯，但铜仍然是一个开放且有争议的案例。一些实验表明，硼可能在铜上形成多型硼烯，而另一些则表明它可能相分离为硼化物，甚至结晶为块体晶体。解决这些可能性需要独特的详细调查，结合高分辨率成像、光谱学和理论建模。
“我的实验同事们首先看到的是这些富有的原子分辨率图像和光谱特征，这些都需要大量的努力来解读。”雅科布森说。
这些努力揭示了一个周期性锯齿状超结构和明显的电子特征，这两者都显著偏离已知的硼烯相。实验数据与理论模拟之间的强匹配有助于解决关于在铜基质与生长室近真空环境之间形成的材料本质的争论。
尽管铜硼化物并不是研究人员希望制作的材料，但它的发现提供了重要的见解，揭示了硼如何在二维环境中与不同金属基材相互作用。这项工作扩展了关于原子薄金属硼化物材料形成的知识——这个领域可能为未来相关化合物的研究提供信息，包括已知的技术相关性，如在超高温陶瓷中的金属硼化物，这对极端环境和高超音速系统具有重要意义。
“二维铜硼化物可能仅仅是许多可以实验实现的二维金属硼化物之一。我们期待探索这一新系列的二维材料，这些材料在电化学能量存储到量子信息技术等应用中具有广泛的潜在用途。”西北大学材料科学与工程的沃尔特·P·墨菲教授马克·赫萨姆说，他是该研究的共同通讯作者。
这一发现紧随莱斯理论团队的另一项与硼相关的突破研究之后。在发表于《ACS Nano》的另一项研究中，研究人员展示了硼烯可以与石墨烯和其他二维材料形成高质量的侧向、边缘对边的接合，比“笨重”的黄金提供更好的电接触。这两个发现的并列突出了在原子尺度上使用硼的承诺和挑战：它的多功能性允许形成令人惊讶的结构，但也使其难以控制。
“我们最初在实验数据中看到的图像看起来相当神秘。”雅科布森说。“但最终，一切都说得通了，提供了一个合乎逻辑的答案——金属硼化物，太好了！起初这是意外的，但现在已经确定了——科学可以继续前进。”
这项研究得到了海军研究办公室（N00014-21-1-2679）、国家科学基金会（DMR-2308691）和美国能源部（2801SC0012547）的支持。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助组织和机构的官方观点。
