單元素二維層狀材料（硅烯、鍺烯、錫烯、磷烯、碲烯、鉍烯和硼烯）

我們對石墨烯、單層和多層過渡金屬硫化物等二維材料以及其他原子尺度厚度的層狀材料的研究進展非常迅速。二維材料因其奇特的性質(zhì)和在電子、傳感、能量存儲和采集等方面的潛在應(yīng)用而被研究者們所廣泛研究。

顧名思義，“單元素二維材料”是由單一化學(xué)元素組成的二位層狀材料。自石墨烯被發(fā)現(xiàn)并廣泛研究以來，“單元素二維材料”家族的成員不斷發(fā)展壯大，包括了一些新奇的材料，如硅（Si）、鍺（Ge）、錫（Sn）、磷（P）、碲（Se）、鉍（Bi）和硼（B）等元素的二維材料形態(tài)，也就是所謂的硅烯、鍺烯、錫烯、磷烯、碲烯、鉍烯和硼烯。這些材料大多具有半導(dǎo)體帶隙和高遷移率，使它們在電子學(xué)和光電子學(xué)中的應(yīng)用非常有趣。和其他二維材料一樣，它們的性質(zhì)可以很容易地通過化學(xué)和靜電摻雜或引入應(yīng)力等方法來調(diào)整。

硼烯線缺陷的混合和周期性自組裝

二維（2D）硼（即，borophene）合成以下理論預(yù)測1，2，3，4，5。它的金屬性質(zhì)和高的面內(nèi)各向異性將石墨烯6和單層黑磷7的許多理想屬性結(jié)合在一起。作為合成的2D材料，其結(jié)構(gòu)性質(zhì)無法從塊狀硼中推論得出，這表明未發(fā)現(xiàn)硼烯的固有缺陷。

在這里，我們使用超高真空（UHV）掃描隧道顯微鏡/光譜學(xué)（STM / STS）和密度泛函理論（DFT）在原子尺度上研究了硼烯線缺陷。在適當?shù)纳L條件下，硼烷相對應(yīng)于v 1/6和v 1/5發(fā)現(xiàn)模型可以與其他相的組成單元相匹配的結(jié)構(gòu)相互混合并容納線缺陷。這些線缺陷在能量上有利于空間周期性自組裝，從而產(chǎn)生新的硼芬相，這模糊了硼芬晶體和缺陷之間的區(qū)別。由于其高的平面各向異性以及在能量和結(jié)構(gòu)上相似的多晶型物，這種現(xiàn)象是硼芬所的。低溫測量進一步揭示了與電荷密度波（CDW）一致的細微電子特征，這些特征由線路缺陷調(diào)制。這種原子級的理解可能會為正在進行的基于borophene的應(yīng)用程序的設(shè)計和實現(xiàn)做出努力。

原子稀薄限制內(nèi)的直接合成途徑使2D材料不會在塊體8中分層。例如，硼的原子級薄的階段，統(tǒng)稱為borophene 1，2，已被實驗實現(xiàn)。理論計算預(yù)測，在另外的三角晶格具有相似的形成能，但中空六邊形（HHS）的不同布置的多個可能borophene多晶型3，4，5。

圖a顯示了硼在UHV中的Ag（111）上沉積后的亞單層氮烯的STM圖像。明亮的點對應(yīng)于通常存在作為少數(shù)物種borophene生長后的小顆粒硼1，2，13。由于STM成像的地形和電子結(jié)構(gòu)的卷積，所述borophene島嶼顯示為這些成像條件下的凹陷，與先前的報道一致1，2，13。對于沉積在表面21和氮化金屬表面22上的金屬的亞單層覆蓋，還觀察到原子薄島結(jié)構(gòu)。但是，這些島要么是與基底的合金，要么是與基底共價鍵合的，這與硼烯和銀基底之間較弱的非共價相互作用不同。在STS（d I / d V）圖（圖b）中，同一區(qū)域的borophene島被更清楚地區(qū)分為亮域。在440至470°C的底物生長溫度下，始終觀察到兩個不同的硼烯相，分別對應(yīng)于HH濃度為v = ?1/6和1/5的v 1/6和v 1/5結(jié)構(gòu)（v = n / N，其中????是戶對一否則三角晶格的數(shù)目?晶格位點）1，2，13。補充圖1給出了硼烷在更寬的溫度范圍內(nèi)生長的溫度相關(guān)性，該圖顯示了隨著生長溫度從350°增加到500°，硼烷從v 1/6到v 1/5的逐漸過渡。C。DFT計算顯示這兩個相具有相似的化學(xué)勢，因此具有相似的熱穩(wěn)定性（v 1/ 6，-6.359 eV原子–1；v 1/ 5，-6.357 eV原子–1（補充圖2）），與先前的研究一致3，4。

a，b，生長在Ag（111）上的硼苯的態(tài)密度（DOS）的大規(guī)模STM形貌（a）和STS圖（b）。c，d，v 1/6（c）和v 1/5（d）硼芬片的原子分辨率STM圖像，行間距分別為0.54±0.03 nm和0.45±0.02 nm。e，在v 1/6和v 1/5硼芬片的不同位置拍攝的六個STS光譜顯示出金屬行為。f，g，B 1的原位XPS光譜s（f）和O 1 s（g）的核心水平表明原始的硼烷生長。

b，STM偏置電壓（V s）在a和b中為–1 V，在c中為–0.35 V，在d中為–1.2V 。au，任意單位。

圖中提供的兩個相的原子尺度的STM圖像。1個分別C，d，。盡管重復(fù)的矩形結(jié)構(gòu)單元在v 1/6頁的相鄰行中對齊（用紅色矩形表示；行間距為0.54±0.03 nm），但這些單元交錯排列，類似于v 1中的磚墻圖案/ 5張（用藍色矩形表示；行間間距為0.45±0.02 nm），與以前的工作一致2。

這兩張金屬片都是金屬的，如在300 K時每個相上的d I / d V曲線所證明的（圖1e）。在圖1f中，B 1 s的原位X射線光電子能譜核心水平適合兩個亞峰（紅色，187.6 eV；藍色，188.9 eV），對應(yīng)于扣除背景（綠色曲線）后不同的B–B鍵。在大約192 eV處沒有氧化的硼峰，加上的O 1 s核心水平信號（圖1g）證實了硼苯的原始性質(zhì)。

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