二維材料具有原子尺度的厚度和獨特的效能，在奈米電子器件中頗具應用潛力而受到關注。新產業的萌發和快速發展來源於新材料的發現，不斷髮現新的二維材料、豐富和補充二維材料的性質，是二維材料研究領域的重要課題。硼烯是指由硼元素構成的二維平面結構，由於硼原子相對於碳原子缺少一個價電子，使硼原子之間的化學鍵較為複雜，理論上形成的平面結構是以三角形密堆積晶格為基礎的孔洞型結構，而根據孔洞不同的排列方式，導致多樣化的硼烯原子結構，被認為是結構最豐富的單元素二維材料之一。關於硼烯的理論研究早已開始，但硼烯沒有對應的層狀體材料，不能像石墨烯那樣透過機械剝離獲得，且硼具有高熔點、低蒸汽壓的特點，因而硼烯的合成一直面臨挑戰。2016年，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面實驗室SF9組利用超高真空分子束外延的手段直接進行單原子層構築的方法，在Ag(111)襯底上獲得了理論上的硼烯【Nature Chemistry8, 564 (2016)】，完成了硼奈米結構的最後一塊重要“拼圖”，並證實了硼烯結構的多樣性。此外，科研團隊精確調控襯底相互作用，製備出蜂窩狀結構【Science Bulletin63, 282(2018)】、準一維鏈狀混合相的硼烯【Advanced Materials32, 205128 (2020)】、硼烯奈米帶【Physical Review Materials1, 021001(R) (2017)】。
硼烯具有機械柔韌性、透光性、超高的熱電導、一維近自由電子態、金屬性狄拉克費米子以及超導性等優越性質，在未來高速低散耗奈米尺度器件中頗具應用前景。此外，多層二維材料因優異的物理化學性質引起學界關注，如魔角雙層石墨烯（超導-絕緣可調控）、少數層過渡金屬硫族化合物（更高的超導特性、射頻效能）以及其異質結（非對稱自旋耦合、莫爾激子）等，相比於其單層結構具有更多的顯著物理特性。硼烯也如此，計算表明雙層硼烯比單層結構具有更高的穩定性，這是由於雙層結構硼原子之間存在層間共價相互作用。不同的雙層硼烯結構被預言為狄拉克節線半金屬、超導體及優異的鋰電池陽極材料，具有應用潛能。然而，由於金屬表面的鈍化作用，超越單層的硼烯（如雙層、三層）的結構很難在金屬表面上被製備出來。
物理所研究員吳克輝、陳嵐指導博士研究生陳彩雲等，運用超高真空分子束外延（MBE）的方式，在Cu(111)表面合成了高質量大面積雙層硼烯。中國科學技術大學博士呂海峰、卓之問在教授武曉君的指導下對雙層硼烯體系進行第一性原理研究，揭示了雙層硼烯的結構、穩定性，以及其與襯底的相互作用、電荷分佈和電子結構等相關性質。
掃描隧道顯微鏡（STM）的實驗表徵和第一性原理計算相結合，可以得到Cu(111)襯底上單層、雙層硼烯均是由鋸齒狀（zig-zag）硼鏈組成的層狀結構，且具有金屬性。雙層硼烯層間硼-硼原子形成了共價鍵，提高了雙層硼烯的穩定性，能量上的分析可以發現Cu(111)表面雙層結構模型的熱穩定性均顯著高於單層硼烯。電荷密度分佈的計算表明，Cu(111)襯底可以將更多的電子轉移到第一層硼。更近一步，第一層硼上明顯的正負電荷積累區也揭示了剩餘電子可以從第一層轉移到第二層硼，導致雙層中面內電子的再分佈。Cu襯底與硼之間獨特的電荷轉移是雙層硼烯能在Cu(111)表面成功生長的主要原因。
非原位的X射線光電子能譜（XPS）實驗表明，Cu(111)表面雙層硼烯在大氣下比單層穩定，僅有少部分被氧化，而單層硼烯全部氧化。雙層硼烯的高質量製備及其高穩定性，將為其他實驗手段如輸運測量的研究提供了可能性，在器件領域頗具潛力與應用前景。同時，實現雙層硼烯的生長開啟了對少層硼烯的實驗研究，開拓了硼烯研究領域的新方向。
相關研究成果以Synthesis of Bilayer Borophene為題，線上發表在《自然-化學》（DOI：10.1038/s41557-021-00813-z）上。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、北京市自然科學基金、安徽省量子資訊科技計劃和中科院戰略性先導科技專項等的支援。
圖1.單雙層硼烯在Cu(111)襯底上隨覆蓋度的變化
圖2.Cu(111)表面單雙層硼烯的高分辨STM圖和原子結構模型
圖3.雙層硼烯的物理特性
來源：中國科學院物理研究所
