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

与石墨烯在铜等体系（其中的原子可能扩散进入基底而不形成特定合金）不同，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型化合物。这项由赖斯大学和西北大学研究人员发表在《科学进展》上的发现，为探索相对未被开发的二维材料类别奠定了基础。

"硼烯仍是一种处于存在边缘的材料，这使得有关它的任何新事实都因推动材料学、物理学和电子学知识的边界而显得尤为重要，"赖斯大学卡尔·F·哈塞尔曼工程学教授、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示过，在铜上硼会结合得过强。如今十多年后，事实证明我们是对的——其结果不是硼烯，而是完全不同的产物。"

先前研究成功在银和金等金属上合成了硼烯，但铜基底仍是悬而未决且存在争议的案例。某些实验暗示硼可能在铜上形成多晶型硼烯，而其他研究则认为它可能相分离成硼化物，甚至成核为块体晶体。要厘清这些可能性，需要结合高分辨率成像、光谱学和理论建模进行独特而详尽的研究。

"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，这需要大量的艰苦解读工作，"雅各布森说道。

这些努力揭示出周期性的锯齿状超结构及独特的电子特征，两者均显著偏离已知的硼烯相。实验数据与理论模拟的强匹配性，帮助解决了关于铜基底与生长室近真空环境界面处形成材料本质的争论。

尽管硼化铜并非研究人员最初计划制备的材料，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启示。该研究拓展了关于原子级薄金属硼化物材料形成的认知——这一领域可能为未来相关化合物的研究提供信息，包括具有已知技术相关性的材料，如超高温陶瓷中的金属硼化物（这类材料在极端环境和高超音速系统中具有重大意义）。

"二维硼化铜很可能仅是众多可实验实现的二维金属硼化物之一。我们期待探索这个具有广泛应用潜力的新型二维材料家族，其应用范围涵盖电化学储能至量子信息技术，"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·赫尔萨姆表示。

这一发现紧随同一赖斯理论团队的硼相关突破之后。在发表于《ACS纳米》的另一项研究中，研究人员证明硼烯能与石墨烯及其他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'笨重'的金。两项发现的并列凸显了在原子尺度研究硼的双重性：其多功能性可催生惊人结构，但也增加了控制难度。

"我们最初在实验数据中看到的图像相当神秘，"雅各布森说。"但最终一切都水落石出，给出了合乎逻辑的答案——金属硼化物，答对了！这起初出乎意料，但如今已成定论——科学由此得以推进。"

本研究得到海军研究办公室（N00014-21-1-2679）、美国国家科学基金会（DMR-2308691）和美国能源部（2801SC0012547）的资助。本文内容完全由作者负责，不一定代表资助机构及组织的官方观点。