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学术动态丨Science子刊发表我校纳米科学研究所最新研究成果

发布时间:2019-09-30浏览次数:239作者:王琴来源:航空学院供图:王琴责任编辑:王伟审核:高存法

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近日,科学子刊Science Advances在线发表了我校纳米科学研究所团队关于硼烯形状与生长机制的研究成果。

晶体一般会以自己喜欢的形状存在于自然界。例如,晶莹透亮的钻石具有正八面体的形状,而日常用的食盐则具有六方柱体的形状。认识晶体的形状不仅可以获得晶体内部的原子排布、形成过程等很多有价值的信息,而且对工业加工、商业应用等起到重要的指导作用。一般来讲,晶体的形状是由其能量较低的晶面决定;这些晶面根据晶体的对称性沿不同方向切成特定的形状,使得晶体的总表面能达到最小。随着近来二维原子晶体研究的兴起,这类原子级厚的晶体的形状受到了学术界的广泛关注。不同于传统的三维晶体,二维原子晶体的表面降维成了边缘,其相应的形状变成了各种各样的多边形。比如,石墨烯的形状一般为六边形,而六方氮化硼单层(俗称白石墨烯)的形状多见为三角形。

我校纳米科学研究所张助华教授团队多年来对一种新兴的由硼元素形成的二维原子晶体—硼烯开展了系统深入的研究。他率先准确预测了硼烯在衬底上的原子结构,被后续中、美两个独立课题组发表于Science等期刊上的实验证实。最近,他与美国莱斯大学、美国西北大学和阿贡国家实验室的研究组合作,对银衬底上硼烯的形状进行了多尺度理论计算和实验研究。首先,他们通过理论计算和高分辨电镜表征等手段确定了硼烯边缘的原子结构,与硼烯的晶体结构显著不同。在此基础上,他们结合传统的晶体生长理论和大规模第一性原理计算,从理论上掌握了硼原子在衬底上沿着硼烯边缘是如何逐步经过多个物理和化学过程组装并实现硼烯的生长。他们发现,按照这种生长体制得到的硼烯形状为拉长的六边形;通过调节生长温度和硼原料浓度,硼烯的还可呈现为细长的针形结构和粗短的六边形结构(如图1)。

图1:理论计算获得的硼烯形状和银衬底上实验生长的硼烯晶体

更为重要的是,这一理论结果被美国西北大学和阿贡国家实验室课题组的联合实验完美地证实。该课题组利用先进的分子束外延技术在银衬底上生长了硼烯晶体,发现硼烯的形状确实从针形结构到粗短六边形结构之间变化。此外,他们利用扫描透射电子显微镜表征发现硼烯的内部与边缘的原子结构也均与上述理论预测一致,证明了理论和计算研究的强大能力。该成果有利于发展大面积、高质量硼烯的制备技术,而且使得可通过控制硼烯形状促进其在微纳器件、柔性电子、超导等领域的应用。

上述成果联合发表于Science Advances。我校为第一单位,张助华教授为论文的第一作者兼通讯作者,航空学院胡知力博士和美国西北大学刘晓龙博士为共同作者,阿贡国家实验室Nathan Guisinger博士,共同通讯作者包括美国莱斯大学Boris Yakobson教授和西北大学Mark Hersam教授。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaax0246