單元素二維材料，由于具有重要的物理性質(zhì)以及在納米電子器件中有較大的應(yīng)用潛力而受到關(guān)注。硼烯（borophene）是指由硼元素構(gòu)成的二維平面結(jié)構(gòu)，理論上認(rèn)為有著不輸于石墨烯的優(yōu)良物理特性如金屬性、高機(jī)械柔性、高導(dǎo)熱性等，且有可能具有狄拉克電子、超導(dǎo)等量子特性。由于硼原子相對(duì)于碳原子缺少一個(gè)價(jià)電子，使得硼原子之間的化學(xué)鍵較復(fù)雜，所形成的平面結(jié)構(gòu)是以三角形密堆積晶格為基礎(chǔ)的孔洞型結(jié)構(gòu)，而根據(jù)孔洞不同的排列方式，導(dǎo)致多樣化的硼烯原子結(jié)構(gòu)。2016年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面實(shí)驗(yàn)室SF9組研究員吳克輝、陳嵐與博士馮寶杰等，率先利用超高真空分子束外延（MBE）直接進(jìn)行單原子層構(gòu)筑的方法，在Ag(111)襯底上獲得這種理論上的單層硼烯，并發(fā)現(xiàn)硼烯的多種純相，對(duì)應(yīng)于三角晶格中不同周期的孔洞結(jié)構(gòu)（Nature Chemistry 8, 564 (2016)）。同時(shí)，研究還發(fā)現(xiàn)這些不同的硼烯純相本質(zhì)上是由不同寬度的準(zhǔn)一維硼鏈組成。那么，直覺上如果將這些不同種類的準(zhǔn)一維硼鏈作為構(gòu)建單元進(jìn)行有序混合，就有可能構(gòu)建出全新的人工硼烯相。不僅可以豐富硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性，而且可能構(gòu)筑出具有新奇量子特性的二維硼結(jié)構(gòu)，豐富其物理性質(zhì)。

基于此啟發(fā)，吳克輝和陳嵐指導(dǎo)博士研究生王宇、孔龍娟等，繼續(xù)深入開展硼烯原子結(jié)構(gòu)的可控制備研究。近日，研究人員利用分子束外延（MBE）方法，在Ag(100)單晶表面獲得不同的硼烯長(zhǎng)程有序相結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中獲得的兩種硼烯相是由兩種不同種類的硼鏈[(2,3)鏈和(2,2)鏈]通過(guò)不同的固定比例混合而成的長(zhǎng)程有序相，且這兩種不同鏈比的混合相可以根據(jù)襯底的晶體方向得到很好的分離。研究通過(guò)掃描隧道顯微鏡表征并結(jié)合第一性原理計(jì)算，揭示混合鏈相的形成機(jī)理。研究人員認(rèn)為，由于硼烯結(jié)構(gòu)單元與Ag(100)表面界面相互作用的調(diào)制，其晶格匹配以及硼鏈相對(duì)于襯底的取向?qū)@兩種混合相的形成具有重要作用。獲得的長(zhǎng)程混合相比硼烯的純相所承受的應(yīng)變小，且與襯底的相互作用更弱，這表明它們可能表現(xiàn)出理論預(yù)測(cè)的獨(dú)立硼烯（無(wú)襯底支撐）的固有物理性質(zhì)。

硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性使其成為一種有希望實(shí)現(xiàn)物理或化學(xué)性質(zhì)連續(xù)可調(diào)的材料體系?；旌舷嗟某晒ιL(zhǎng)證實(shí)了硼烯結(jié)構(gòu)的多樣性和可調(diào)性，有望加深襯底定制合成硼烯的影響，并為通過(guò)襯底調(diào)制制備新型硼烯相提供了一種有前景的方法。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上（DOI: 10.1002/adma.202005128）。論文第一作者為王宇，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)生長(zhǎng)和STM表征。理論計(jì)算主要由SF9組博士（已畢業(yè)，目前在南開大學(xué)做博士后）孔龍娟完成。

研究工作得到科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京市自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。

在Ag(100)襯底上利用MBE技術(shù)生長(zhǎng)的單原子層厚度的混合相硼烯。（a）是示意圖。（Advanced Materials的Table of Contents圖）。（b-c）是Ag(100)上硼烯島的掃描隧道顯微鏡圖（微分圖）。（d-f）是三種硼烯相的高分辨掃描隧道顯微鏡圖，（g-i）是對(duì)應(yīng)的三種硼烯相的原子結(jié)構(gòu)模型，其中，A相(g)和C相(i)是典型的準(zhǔn)一維原子鏈混合相結(jié)構(gòu)。