石墨烯是已知的最薄、最堅硬的奈米材料。繼石墨烯之後，科學家希望找到更多具有優良特性的二維材料。

被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯並非自然存在，只能人工合成

。其結構也是異常複雜。因此，硼烯的製備成為國際凝聚態物理及材料物理界公認的世界難題。

硼或硼烯的二維晶型因其各向異性的金屬性、相關的電子現象和多樣的超晶格結構而受到人們的關注。雖然研究者已經實現了硼烯的異質結構，但硼烯的有序化學改性尚未有報道。

近日，來自美國西北大學的Mark C。 Hersam等研究者，

在超高真空條件下，利用原子氫對硼烯進行氫化反應，合成得到“硼烯”晶型。

相關論文以題為“Synthesis of borophane polymorphs through hydrogenation of borophene”發表在Science上。同期，該論文登上《Science》的封面。

論文連結：

https：//science。sciencemag。org/content/371/6534/1143

自硼烯實驗初步實現以來，其研究主要集中在，其不同的多型性和預測性質上，包括二維各向異性金屬性、高機械強度和柔韌性、聲子超導性等。

然而，硼烯在空氣中會迅速氧化，這將實驗表徵限制在超高真空(UHV)條件下，也給將硼烯整合到實際裝置帶來了挑戰。

眾所周知，化學鈍化可以抑制電子材料的環境氧化。例如，矽表面懸垂鍵的單氫化物終端，最大限度地減少了天然氧化物的形成，二維黑磷的共價修飾，提高了形態穩定性，並在環境條件下保持了電子效能。第一性原理計算表明，硼烯也可以透過表面加氫來穩定。

除了鈍化，化學功能化，也可以調節二維材料的電子特性。例如，透過將碳鍵構型從sp2轉換為sp3，將石墨烯氫化形成石墨烯可根據氫表面濃度，產生可調節的帶隙。從石墨烯中汲取靈感，對硼烯進行了理論上的探索。預測的電子性質，包括金屬、半導體和超高費米速度和熱導狄拉克特性等。雖然基於無機鹽的化學反應合成的硼烯奈米片已有報道，但硼烯多晶型的原子定義明確的合成和表徵尚未實現。

在此，研究者報道了硼烯在特高壓條件下暴露於原子氫下的氫化反應。與硼烯的高度多型性相似，研究者觀察到8種不同的硼烯多晶型

。其中，研究者詳細研究了矩形v1/6-30°硼烯（簡稱為rect-v1/6-30°）的鍵合結構和效能，因為它具有較高的表面氫覆蓋和高度有序的結構。特別的是，透過結合掃描隧道顯微鏡和光譜學（STM和STS）、非彈性電子隧道光譜學（IETS）和密度泛函理論（DFT），研究發現，rect-v1/6-30°硼烯的鍵，由兩中心二電子（2c2e） B-H鍵和三中心二電子（3c2e） B-H-B鍵組成。原位區域性功函式的測量結果支援了理論預測，即rect-v1/6-30°硼烯的功函式比v1/6-30°硼烯的功函式低。此外，根據X射線光電子能譜（XPS）顯示，與在環境條件下幾乎瞬間氧化的原始硼不同，即使在環境暴露一週後，硼烯的氧化作用仍然可以忽略不計。

圖1 硼烯晶型的原子表徵。

圖2 矩形v1/6-30°硼烯的結構和電子效能。

圖3 矩形v1/6-30°硼烯功函式表徵。

圖4 硼烯在環境條件下的穩定性。

硼烯晶型，是具有修飾區域性功函式的金屬晶型，可以透過氫的熱解吸，可逆地恢復到原始硼烯。氫化還可提供化學鈍化，因為在環境暴露後，硼烯可降低氧化率兩個數量級以上。（文：水生）

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