科学家们发现了具有独特原子结构的新型二维硼化铜材料

十多年前，由材料科学家Boris Yakobson领导的莱斯大学的研究人员预测，硼原子会紧紧地附着在铜上，形成硼苯，这是一种灵活的金属二维材料，在电子、能源和催化方面具有潜力。现在，新的研究表明，预测是成立的，但不是以任何人预期的方式。

与铜上的石墨烯等系统不同，在这些系统中，原子可以扩散到基材中而不会形成不同的合金，在这种情况下，硼原子形成了一种确定的二维铜硼化物——一种具有不同原子结构的新化合物。莱斯大学和西北大学的研究人员在《科学进展》上发表的这一发现为进一步探索一类相对未开发的二维材料奠定了基础。

Rice的Karl F.Hasselmann工程教授、材料科学、纳米工程和化学教授Yakobson说：“硼芬仍然是一种处于存在边缘的材料，这使得任何关于它的新事实都变得重要，因为它突破了我们在材料、物理和电子学方面的知识极限。”。“我们的第一个理论分析警告说，在铜上，硼的结合会太强。现在，十多年后，事实证明我们是对的——结果不是硼芬，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芬，但铜仍然是一个悬而未决的、有争议的案例。一些实验表明，硼可能在铜上形成多晶型硼化物，而另一些实验则表明，它可能会相分离成硼化物，甚至成核成块状晶体。解决这些可能性需要结合高分辨率成像、光谱学和理论建模进行独特的详细研究。Yakobson说：“我的实验主义同事首先看到的是这些丰富的原子分辨率图像和光谱特征模式，这需要大量的艰苦解释工作。”。

这些努力揭示了一个周期性的锯齿形超结构和明显的电子特征，这两个特征都明显偏离了已知的硼苯相。实验数据和理论模拟之间的强匹配有助于解决关于铜基板和生长室近真空环境之间界面处形成的材料性质的争论。

尽管硼化铜不是研究人员打算制造的材料，但它的发现为硼在二维环境中如何与不同金属基材相互作用提供了重要的见解。这项工作扩展了关于原子薄金属硼化物材料形成的知识，这一领域可以为未来相关化合物的研究提供信息，包括那些具有已知技术相关性的化合物，如超高温陶瓷中的金属硼化物，这些化合物对极端环境和高超音速系统非常感兴趣。

西北大学Walter p.Murphy材料科学与工程教授Mark Hersam是该研究的合著者，他说：“2D铜硼化物可能只是可以通过实验实现的许多2D金属硼化物之一。我们期待探索这一新的2D材料家族，它在从电化学储能到量子信息技术的应用中具有广泛的潜在用途。”。

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这一发现是在同一Rice理论团队取得另一项与硼相关的突破后不久发现的。在发表在ACS Nano上的另一项研究中，研究人员表明，硼芬可以与石墨烯和其他二维材料形成高质量的横向、边对边结，提供比“大块”金更好的电接触。这两项发现的并置突显了在原子尺度上使用硼的前景和挑战：它的多功能性允许令人惊讶的结构，但也使其难以控制。Yakobson说：“我们最初在实验数据中看到的那些图像看起来很神秘。”。“但最终，一切都水到渠成，并提供了一个合乎逻辑的答案——金属硼化物，宾果！这起初是出乎意料的，但现在已经解决了——科学可以向前发展。”