Nature Chemistry：双层硼烯，未来可期！

石墨烯的性质目前受到物理、化学、材料科学领域科学家的广泛关注，而且促进人们发展各种各样的有机、无机单层膜材料。在元素周期表中，硼元素相邻于碳元素，因此硼同样能够用于合成各种2D材料。人们发现单层硼烯具有一系列独特的性质，比如金属性、超导性、电荷密度波、面内各向异性等，因此单层硼烯材料可能在纳米电子学、量子技术、能量存储和传感器等领域具有发展应用前景。

针对单层硼烯在空气中不稳定、容易氧化的缺点，人们尝试通过双层硼原子的层间成键耦合稳定策略，合成稳定性更好的双层硼烯，在2021年实现了重要进展，为发展双层原子材料的合成提供经验。

2021年8月，美国西北大学Mark C. Hersam 、莱斯大学Boris I. Yakobson报道首次成功的在Ag(111)基底上合成双层硼烯材料；

近日，中科院物理所 陈岚 研究员、 吴克辉 研究员和中科大 武晓君教授成功的在Cu(111)基底上合成了面积达到毫米级的双层硼烯（Chen, C., Lv, H., Zhang, P. et al. Synthesis of bilayer borophene. Nat. Chem. (2021). DOI: 10.1038/s41557-021-00813-z）。

有鉴于此，加拿大湖首大学Maryam Ebrahimi报道2D硼烯材料在合成与应用领域中的进展，对二维硼烯及其他二维材料的合成和发展进行展望。

研究背景

过去几年间，人们发展了多种单层2D硼材料，但是因为硼电子结构表现开层特点，导致这些单层硼材料表现了在空气气氛中氧化的缺点。因此2D硼材料难以构建形成器件。因此人们转而研究双层硼烯材料，因为通过层间共价键合作用能够提供更好的稳定性。而且，计算化学结果预测了多种多样的稳定双层硼烯材料，能够有望具有反铁磁性、双重Dirac锥、Dirac节线、Dirac费米子等特点。

双层硼烯的合成

双层硼烯目前仍非常难以合成，因为在生成了原子层的硼之后，继续沉积硼原子更容易生成3D簇而不是双层硼烯。目前，有两项研究分别在Ag(111)晶面的和Cu(111)基底上生成双层硼烯，在合成过程中人们使用分子束外延的方法和超高真空条件中将硼沉积在金属表面。

随着成功的合成2D硼烯材料，进一步的需要发展面积更大的2D硼烯材料，才能够实现更好的集成到电子器件中。因此，有报道针对这个问题，成功的在Cu基底上构建了毫米尺度的双层硼烯。这种方法中使用两步沉积法，首先在Cu(111)晶面上沉积硼原子，随后将基底的温度提高至高于327 ℃，继续进行硼沉积，实现了构建大面积的单层硼烯。随后将表面温度提高至477 ℃，进行硼沉积，得到的1 mm2的双层硼烯。研究发现这个化学气相沉积反应是自动终止的过程。

相对于在Cu(111)上沉积硼构建2D原子层，在Ag(111)金属基底上构建2D硼更加具有困难，这是因为硼烯在Ag表面上的吸附能比在Cu上更低，而且在Ag(111)表面的硼烯与基底之间的电荷传输比在Cu(111)表面电荷传输更少。Hersam, Yakobson等成功的解决了这个问题，将具有台阶结构的Ag表面在超高真空于650 ℃中进行煅烧，由于基底上存在台阶结构，因此抑制生长过程中3D硼簇的成核。因此实现了首先生成单层α相多晶单层硼，随后再进行原子硼沉积生成双层硼烯。

图1. 在Cu和Ag基底上合成双层硼烯。(a) 在Cu(111)晶面上合成双层硼烯；(b) 在Ag(111)晶面上合成双层硼烯 (c-d) Cu(111)晶面和Ag(111)晶面上的双层硼烯侧面图 (e) 以密堆积三角晶格排列的结构。

双层硼烯空气稳定性

通过XPS表征暴露空气前后双层硼烯材料的变化情况，发现暴露空气后仅有23 %的硼烯被氧化，相同条件单层硼烯却完全氧化。这个实验结果很好的与理论计算结果符合。理论计算研究发现，双层硼烯中在两层硼原子之间以共价化学键相连，因此双层硼烯材料具有更高的稳定性。而且，计算结果显示，双层硼烯表现为金属态。

结论

由于双层硼烯材料具有很好的热稳定性，而且具有抗氧化性，因此在实际应用中具有应用前景。这种生长过程展示说明，通过在不同基底上控制生长的动力学参数，能够很好的控制生长过程和反应生成产物的晶相。

参考文献

1. Ebrahimi, M. The birth of bilayer borophene. Nat. Chem. (2021).

DOI: 10.1038/s41557-021-00868-y

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00868-y

2. Chen, C., Lv, H., Zhang, P. et al. Synthesis of bilayer borophene. Nat. Chem. (2021).

DOI: 10.1038/s41557-021-00813-z

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00813-z

3. Liu, X., Li, Q., Ruan, Q. et al. Borophene synthesis beyond the single-atomic-layer limit. Nat. Mater. 21, 35–40 (2022).

DOI:10.1038/s41563-021-01084-2

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01084-2

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