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

不同于石墨烯在铜基底上的体系（该体系中原子可能扩散到基底中而不形成明显的合金），此处的硼原子形成了明确的二维硼化铜结构——这是一种具有独特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》(Science Advances) 杂志上发表的这一发现，为进一步探索一类相对未被开发的二维材料奠定了基础。

"硼墨烯仍然是一种处于存在边缘的材料，任何关于它的新事实都至关重要，因为它拓展了我们在材料、物理和电子学领域的知识边界，"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。"我们最初的理论分析就警告过，硼在铜上会形成过强的键合。如今，十多年后，事实证明我们是对的——结果不是硼墨烯，而是完全不同的东西。"

先前的研究成功在银和金等金属上合成了硼墨烯，但铜基底的情况一直悬而未决且存在争议。一些实验表明硼可能在铜上形成多晶型硼墨烯，而另一些则表明它可能相分离成硼化物甚至成核形成块状晶体。厘清这些可能性需要一项结合高分辨率成像、光谱学和理论建模的独特而详细的研究。

"我的实验合作者最初观察到的是这些丰富的原子分辨率图像图案和光谱特征，这需要大量艰苦的解释工作，"雅各布森说。

这些努力揭示了一种周期性的锯齿状超晶格结构和独特的电子特征谱，两者均与已知的硼墨烯相显著不同。实验数据与理论模拟之间的高度吻合有助于解决关于在铜基底与生长室近真空环境界面处形成的材料性质的争论。

尽管硼化铜并非研究人员最初打算合成的材料，但其发现为理解硼在二维环境下如何与不同金属基底相互作用提供了重要见解。这项工作拓展了有关原子级薄金属硼化物材料形成的知识——这一领域可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，例如超高温度陶瓷中的金属硼化物，这些材料在极端环境和高超音速系统中具有重大意义。

"二维硼化铜很可能只是众多可在实验中实现的二维金属硼化物之一。我们期待探索这一新的二维材料家族，它们在从电化学储能到量子信息技术等广泛的应用领域具有巨大潜力，"该研究的共同通讯作者、西北大学沃尔特·P·墨菲材料科学与工程教授马克·赫尔萨姆表示。

这一发现紧接在莱斯大学同一理论团队取得另一项与硼相关的突破之后。在发表于《美国化学学会纳米》(ACS Nano) 的另一项研究中，研究人员证明了硼墨烯可以与石墨烯及其他二维材料形成高质量的横向、边对边连接，其电接触性能甚至优于'块状'黄金。这两项发现并置凸显了在原子尺度上研究硼的广阔前景与挑战：其多功能性既能产生令人惊讶的结构，也使其难以控制。

"我们在实验数据中最初看到的那些图像看起来相当神秘，"雅各布森说。"但最终，一切都豁然开朗并给出了合乎逻辑的答案——硼化金属，搞定！这起初出乎意料，但现在尘埃落定——科学可以继续前进了。"

该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) 的资助。本文内容完全由作者负责，并不必然代表资助组织和机构的官方观点。