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硼烯是由硼原子構成的單原子層晶體，是除石墨烯之外僅有的能以純平面構象穩定存在的單質二維材料。硼烯是迄今報道的最薄的金屬材料，具有優異的力學性質和獨特的結構各向異性，已迅速成為二維材料領域新的研究前沿。硼烯研究的主要挑戰在於它的大面積可控合成和轉移，以及如何提升穩定性以構築高耐受性器件。最近，美國西北大學的Hersam課題組利用分子束外延技術在銀(111)面上合成硼烯，並將製備好的硼烯置於原子氫的氛圍中，在超高真空環境下獲得結構多樣的氫化硼烯，其中一種同時具有雙中心雙電子和三中心雙電子硼-氫鍵的化硼烯結構在實驗中被大面積觀察到。研究發現氫化硼烯具有比硼烯更高的抗氧化性（Science, 2021, 371, 1143，點選閱讀詳細），有利於推動硼烯的實際應用。然而，實驗發現氫化硼烯具有豐富多樣的結構相，但相應的原子結構一直無法解析。
近日，南京航空航天大學的張助華教授和郭萬林院士團隊與萊斯大學Yakobson教授合作，採用結構搜尋方法並結合第一性原理計算，解析出多種高度穩定的氫化硼烯結構。研究顯示，氫化硼烯的結構對氫分壓數值具有選擇性，在相對較低的氫分壓下，優先形成具有雙中心雙電子硼-氫鍵的氫化硼烯結構，氫在硼烯表面呈菱形分佈；而在更大的氫分壓範圍內，同時具有雙中心雙電子和三中心雙電子硼-氫鍵的結構能量最優，氫在硼烯表面呈矩形分佈。作者揭示了氫化硼烯的抗氧化機理，發現結構中的氫原子透過施加空間位阻作用阻礙硼烯與氧分子的反應，使得氫化硼烯的氧化能壘提高了約1.1電子伏。他們解析的結構從晶格常數、模擬的STM影象以及合成所需的氫氣條件等方面均與實驗情況較好吻合。此外，他們的理論結果還澄清了實驗中觀察到的氫化超晶格結構。
圖1. (a) 銀基底上氫化硼烯的結構示意圖。(b) 發表論文的封面圖。
該項成果首次解析了實驗實現的多種氫化硼烯結構，為基於其它元素的硼烯功能化提供了有力指導，更為氫化硼烯進一步的基礎和應用研究做好了鋪墊。該成果以封面文章發表於The Journal of Physical Chemistry Letters 上，第一作者為南京航空航天大學許瑩副研究員，通訊作者為張助華教授，共同作者還包括張培琨、軒嘯宇、薛敏珉博士、郭萬林院士和Yakobson教授。
Borophane Polymorphs
Ying Xu, Peikun Zhang, Xiaoyu Xuan, Minmin Xue, Zhuhua Zhang*, Wanlin Guo, and Boris I. Yakobson
J. Phys. Chem. Lett., 2022, 13, 1107–1113, DOI: 10.1021/acs.jpclett.1c03827
導師介紹
張助華
https://www.x-mol.com/university/faculty/48489
郭萬林
https://www.x-mol.com/university/faculty/37831
Yakobson
https://www.x-mol.com/university/faculty/1554
