二維結(jié)構(gòu)的硼烯或硼烷多晶型物憑借其各向異性的金屬性、電子效應(yīng)和多樣的超晶格結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注。然而，硼烷在空氣中會(huì)迅速氧化，這使其只能在超高真空條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與表征，嚴(yán)重阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。對(duì)此，化學(xué)鈍化是抑制電子材料發(fā)生環(huán)境氧化的常用手段。第一性原理計(jì)算表明，硼烯也可以通過表面氫化來穩(wěn)定。除鈍化作用外，對(duì)硼烯進(jìn)行化學(xué)修飾還可以調(diào)節(jié)其電子特性。盡管已有研究實(shí)現(xiàn)了硼烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)，但是尚未有報(bào)道涉及硼烷的有序化學(xué)修飾。

美國西北大學(xué)教授、ACS Nano雜志副主編、美國麥克阿瑟“天才獎(jiǎng)”獲得者M(jìn)ark C. Hersam教授等人通過在超高真空中用原子氫氫化硼烯來合成硼烷多晶型物。通過原子級(jí)成像、光譜學(xué)和第一性原理計(jì)算，作者發(fā)現(xiàn)氫化提供了化學(xué)鈍化作用，在環(huán)境中暴露后，硼烷的氧化速率降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上。而且可以通過簡(jiǎn)單的加熱除氫處理，將氫化的硼烯恢復(fù)其本征狀態(tài)。該研究以題為“Synthesis of borophane polymorphs through hydrogenation of borophene”的論文發(fā)表在《Science》上，并被選為封面論文，值得一提的是，論文的第一作者為中國留學(xué)生Qiucheng Li。

文章亮點(diǎn)：

1. 作者用原子氫對(duì)硼烯進(jìn)行氫化處理，并通過STM觀察氫處理過程中的硼烯變化情況，發(fā)現(xiàn)氫原子吸附在硼烯上。作者在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到8種不同結(jié)構(gòu)的硼烷。

2. 作者通過XPS、AFM對(duì)硼烯暴露在空氣中的變化情況進(jìn)行表征，未經(jīng)修飾的硼烯在空氣中會(huì)在1小時(shí)內(nèi)快速氧化，生成氧化物B2O3。而氫化硼烯的空氣穩(wěn)定性則大大提高，暴露于空氣中1周后才發(fā)生氧化。此外，氫修飾的硼烯在300 ℃加熱處理后，能夠恢復(fù)其本征結(jié)構(gòu)。

3. 作者通過CO-STM對(duì)rect-v1/6-30°結(jié)構(gòu)的硼烯上的氫原子進(jìn)行表征，并通過DFT計(jì)算了各種吸附氫原子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)存在3種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的氫原子：在頂部形成B-H鍵，在橋結(jié)構(gòu)位點(diǎn)形成B-H-B鍵，或者同時(shí)在頂部、橋結(jié)構(gòu)上吸附兩種結(jié)構(gòu)。

4. 作者通過STM對(duì)rect-v1/6-30°結(jié)構(gòu)的硼烯的局部功函LWF進(jìn)行表征，測(cè)試其FER（場(chǎng)發(fā)射共振信號(hào)），發(fā)現(xiàn)其FER信號(hào)有兩個(gè)，分別為~4.0 eV和~4.5 eV，這可能是由表面電位波紋所致。隨后對(duì)其他幾種不同結(jié)構(gòu)的硼烷進(jìn)行功函測(cè)試，發(fā)現(xiàn)相互有所區(qū)別，這種區(qū)別可能是由于B-H鍵不同和偶極變化導(dǎo)致。

圖1 硼烯的原子級(jí)表征

圖2 硼烯的環(huán)境穩(wěn)定性

原文鏈接：

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