'Hopelessly attached': Scientists discover new 2D material that sticks the landing

与石墨烯在铜基底上可能扩散进入基体而不形成明确合金的系统不同，本研究中的硼原子形成了明确的二维硼化铜——一种具有独特原子结构的新型化合物。这项由莱斯大学与西北大学研究人员联合发表于《科学进展》的研究成果，为深入探索相对未被开发的二维材料类别奠定了基础。

"硼墨烯仍处于存在边缘的材料，任何关于它的新发现都将通过拓展材料学、物理学和电子学知识边界而具有重要意义，"莱斯大学卡尔·F·哈塞尔曼工程教授、材料科学与纳米工程及化学教授雅各布森表示，"我们最早的理论分析就警示过硼原子在铜基底上会产生过强键合。十余年后的今天，事实证明我们是对的——其产物并非硼墨烯，而是完全不同的物质。"

先前研究已成功在银、金等金属基底上合成硼墨烯，但铜基底上的情况仍存争议。部分实验暗示硼可能在铜表面形成多晶型硼墨烯，另一些研究则认为可能发生硼化物相分离甚至形成块状晶体。解决这些争议需要结合高分辨率成像、光谱学与理论建模的深度研究。

"我的实验合作者最初观察到的是这些极具信息量的原子级分辨图像与光谱特征，这需要耗费大量精力进行解读，"雅各布森解释道。

研究最终揭示了周期性的锯齿状超晶格结构与独特的电子特征，两者均与已知硼墨烯相显著不同。实验数据与理论模拟的高度吻合，帮助解决了关于铜基底与生长腔近真空环境界面处材料性质的长期争论。

虽然硼化铜并非研究人员初始目标产物，但其发现为理解二维环境下硼与不同金属基底的相互作用提供了重要启示。该工作拓展了原子级薄层金属硼化物形成机制的知识体系——这一领域可为相关化合物的未来研究提供参考，包括具有已知技术相关性的材料，例如超高温陶瓷中的金属硼化物，这在极端环境与高超声速系统领域具有重要应用价值。

"二维硼化铜很可能只是实验可实现的众多二维金属硼化物中的首例。我们期待探索这个新型二维材料家族，其在电化学储能至量子信息科技等广泛领域具有应用潜力，"西北大学沃尔特·P·墨菲材料科学与工程教授、本研究共同通讯作者马克·赫萨姆表示。

该发现紧随莱斯大学理论团队的另一项硼相关突破。在发表于《ACS纳米》的另一项研究中，研究人员证明硼墨烯可与石墨烯等二维材料形成高质量横向边缘连接，其电接触性能甚至优于"块体"金材料。两项发现的并置既彰显了原子尺度硼材料研究的潜力，也凸显了其挑战性：硼的多功能性既能产生惊人结构，也增加了控制难度。

"我们最初在实验数据中观察到的图像非常神秘，"雅各布森回忆道，"但最终所有线索都指向同一个逻辑结论——金属硼化物，宾果！这起初出人意料，但现已尘埃落定——科学研究可以继续推进。"

本研究获得海军研究办公室(N00014-21-1-2679)、国家科学基金会(DMR-2308691)和美国能源部(2801SC0012547)资助。本文内容完全由作者负责，不代表资助机构的官方观点。