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

与诸如铜基石墨烯等原子可能扩散到基底中而未形成明确合金的系统不同，这种情况下，硼原子形成了一种明确的二维硼化铜——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发表在《科学进展》上的这一发现，为探索一类相对未开发的二维材料奠定了基础。

"硼墨烯仍是一种处于存在边缘的材料，因此任何关于它的新事实都因拓展我们在材料学、物理学和电子学领域的认知边界而显得重要，" 莱斯大学卡尔·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指出。"我们最初的理論分析就曾警告过，硼在铜上会结合得过强。现在，十多年后，事实表明我们是对的——其结果并非硼墨烯，而是完全不同的物质。"

先前的研究已在银和金等金属上成功合成了硼墨烯，但铜基底的情况仍未明确且存在争议。一些实验表明硼可能在铜上形成多晶型硼墨烯，而另一些则暗示它可能相分离成硼化物甚至成核为块状晶体。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极其详尽的独特研究。

"我的实验合作者们最初观察到的是这些原子分辨率图像的丰富图案以及光谱特征信号，这需要大量的艰苦工作来解读，"雅各布森说。

这些努力揭示出一种周期性的锯齿状超晶格结构以及独特的电子特征信号，两者均与已知的硼墨烯相存在显著差异。实验数据与理论模拟的高度匹配帮助解决了关于在铜基底与生长腔室近真空环境界面处形成的材料本质的争论。

虽然硼化铜并非研究人员最初计划制备的材料，但它的发现为理解硼在二维环境中如何与不同金属基底相互作用提供了重要见解。这项工作拓展了关于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（包括那些具有已知技术相关性的金属硼化物）提供信息，例如超高温陶瓷中的金属硼化物，它们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实验实现的二维金属硼化物中的一种。我们期待探索这个新的二维材料家族，它们在从电化学储能到量子信息技术等应用领域具有广泛潜力，"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。

这一发现紧接在同一个莱斯理论团队取得另一项硼相关突破之后。在发表于《ACS纳米》的另一项研究中，研究人员证明了硼墨烯可与石墨烯及其他二维材料形成高质量的横向边对边结(junctions)，其电接触性能甚至优于'块状'黄金。这两项发现的并置凸显了在原子尺度上操控硼的前景与挑战：其多功能性既催生了令人意外的结构，也使其难以控制。

"我们最初在实验数据中看到的那些图像看起来相当神秘，"雅各布森说。"但最终，一切豁然开朗并给出了合乎逻辑的答案——金属硼化物，宾果(Bingo)！这起初是出乎意料的，但现在已成定论——科学可以继续前进了。"

本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。此处内容仅为作者责任，并不必然代表资助机构及组织的官方观点。