在这项最新研究中,科学家使用
物理气相沉积技术制造出了硼薄膜。使用这种方法时,硼在超高级
真空下被气化。气化后的粒子在真空中转移到目标平面上(这项研究中采用的是
银),并沉积成一层薄膜。研究人员能够获得一系列不同的平面硼结构,取决于硼粒子的移动方向和沉积条件。
科学家一直感兴趣这种单层
二维材料的独特属性,特别是其电子性质。硼墨烯是一种不同寻常的材料,因为它在纳米尺度表现出很多金属特性,而三维硼或者散状硼都只是非金属
半导体。因为硼墨烯同时具有
金属性和原子厚度,从
电子产品到
光伏发电都具有广泛的应用可能性。
与其在
元素周期表上的“邻居”
碳元素相似,硼也经常以不同的“面孔”示人,被称为“同位异形体”。
石墨由很多二维层堆叠而成,可以被整层“撕开”,但对于二维硼墨烯而言,则不具备这样的属性。领导这项研究的
纳米科学家南森·郭尔辛格说:“硼墨烯非常有趣,它不同于先前的
二维材料,不会自然出现。”
硼在纳米尺度的原子配置不同寻常。当其他二维材料看起来很光滑的时候,硼墨烯看起来却像
瓦楞纸板,具体取决于其原子之间如何结合。这种结构决定了其导电属性具有方向性,这在其他二维材料中很罕见。此外,基于对该材料的理论预测,它还很可能有较高的拉伸强度。
对这些硼墨烯薄膜的分析显示,有些薄膜和“硼墨烯”分子结构模型具有一定的相似之处,都是由36个
硼原子形成三个相互联结的准平面环,中间留下一个六边形的空洞。不过,这些新型薄膜并非由单个分子构成,而是由若干层这样的环状结构组成,显示出面外弯曲振动特征。这些片段会自行形成一个六边形结构,中间环绕着一个硼原子,就好像一只蜜蜂坐在蜂巢正中间一样。此外,科学家还观察到了其它结构,如一种丝带状的材料等。
对这些薄膜的电子特性分析显示,它们具有类似金属的性质,但它们的电子特性取决于电流流动的方向。换句话说,电子穿过硼墨烯的方向不同,移动的方式也不同。这一特性的专业名称叫做:“电子特性的各向异性”。
硼墨烯比
硅酮更稳定,因为它存在着坚固的
共价键。此外,硼墨烯具有与
石墨烯相似的机械性能。在本文讨论的例子中,硼墨烯在垂直方向上的
机械性能是不同的。石墨烯的
杨氏模量为340 GPa-nm,而硼墨烯在水平方向上的杨氏模量比石墨烯更高(398 GPa-nm),在垂直方向上的杨氏模量则比石墨烯要低(170 GPa-nm)。此外,硼墨烯也具有相当可观的
硬度。