硼烯在特高压条件下暴露于原子氢下的氢化反应

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料。继石墨烯之后，科学家希望找到更多具有优良特性的二维材料。被称为石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然存在，只能人工合成。其结构也是异常复杂。因此，硼烯的制备成为国际凝聚态物理及材料物理界公认的世界难题。硼或硼烯的二维晶型因其各向异性的金属性、相关的电子现象和多样的超晶格结构而受到人们的关注。虽然研究者已经实现了硼烯的异质结构，但硼烯的有序化学改性尚未有报道。

近日，来自美国西北大学的Mark C. Hersam等研究者，在超高真空条件下，利用原子氢对硼烯进行氢化反应，合成得到“硼烯”晶型。

自硼烯实验初步实现以来，其研究主要集中在，其不同的多态性和预测性质上，包括二维各向异性金属性、高机械强度和柔韧性、声子超导性等。然而，硼烯在空气中会迅速氧化，这将实验表征限制在超高真空(UHV)条件下，也给将硼烯集成到实际设备带来了挑战。众所周知，化学钝化可以抑制电子材料的环境氧化。例如，硅表面悬垂键的单氢化物终端，最大限度地减少了天然氧化物的形成，二维黑磷的共价修饰，提高了形态稳定性，并在环境条件下保持了电子性能。第一性原理计算表明，硼烯也可以通过表面加氢来稳定。

除了钝化，化学功能化，也可以调节二维材料的电子特性。例如，通过将碳键构型从sp2转换为sp3，将石墨烯氢化形成石墨烯可根据氢表面浓度，产生可调节的带隙。从石墨烯中汲取灵感，对硼烯进行了理论上的探索。预测的电子性质，包括金属、半导体和超高费米速度和热导狄拉克特性等。虽然基于无机盐的化学反应合成的硼烯纳米片已有报道，但硼烯多晶型的原子定义明确的合成和表征尚未实现。

在此，研究者报道了硼烯在特高压条件下暴露于原子氢下的氢化反应。与硼烯的高度多态性相似，研究者观察到8种不同的硼烯多晶型。其中，研究者详细研究了矩形v1/6-30°硼烯(简称为rect-v1/6-30°)的键合结构和性能，因为它具有较高的表面氢覆盖和高度有序的结构。特别的是，通过结合扫描隧道显微镜和光谱学(STM和STS)、非弹性电子隧道光谱学(IETS)和密度泛函理论(DFT)，研究发现，rect-v1/6-30°硼烯的键，由两中心二电子(2c2e) B-H键和三中心二电子(3c2e) B-H-B键组成。原位局部功函数的测量结果支持了理论预测，即rect-v1/6-30°硼烯的功函数比v1/6-30°硼烯的功函数低。此外，根据X射线光电子能谱(XPS)显示，与在环境条件下几乎瞬间氧化的原始硼不同，即使在环境暴露一周后，硼烯的氧化作用仍然可以忽略不计。

图1 硼烯晶型的原子表征。

图2 矩形v1/6-30°硼烯的结构和电子性能。

图3 矩形v1/6-30°硼烯功函数表征。

图4 硼烯在环境条件下的稳定性。

硼烯晶型，是具有修饰局部功函数的金属晶型，可以通过氢的热解吸，可逆地恢复到原始硼烯。氢化还可提供化学钝化，因为在环境暴露后，硼烯可降低氧化率两个数量级以上。

审核编辑：彭静