硼烯是一類由單質(zhì)硼原子組成的二維材料。與石墨烯不同，由于硼原子的核外比碳原子少一個(gè)價(jià)電子，因而硼原子之間傾向于通過(guò)電子共享形成多中心鍵，從而導(dǎo)致硼烯晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為復(fù)雜的三角晶格混合六方孔洞的形式。獨(dú)特的成鍵方式不僅使得二維硼烯在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出多態(tài)性，也賦予了硼烯諸如機(jī)械柔韌性、透光性、超高的熱電導(dǎo)、一維近自由電子態(tài)、金屬性狄拉克費(fèi)米子以及超導(dǎo)性等優(yōu)異的性質(zhì)。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)在不同金屬襯底上實(shí)現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的硼烯的制備，然而這些特定硼烯結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程有序性與它們和襯底之間的晶格匹配以及界面電荷轉(zhuǎn)移息息相關(guān)。這種襯底依賴性雖然有助于硼烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)也使得硼烯的結(jié)構(gòu)變化非常依賴于對(duì)襯底的篩選。理論預(yù)測(cè)表明，通過(guò)在硼烯表面引入硼團(tuán)簇或其他富硼物質(zhì)可以直接調(diào)控硼烯晶格本身，從而有望實(shí)現(xiàn)超越襯底約束的原位硼烯晶格反向調(diào)制，從本質(zhì)上達(dá)到獨(dú)立于襯底約束條件之外去調(diào)控硼烯晶格結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心表面物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF09課題組的陳嵐研究員、吳克輝研究員（現(xiàn)錢塘高等研究院）、馮寶杰研究員一直致力于二維硼烯的合成制備以及對(duì)其物性的表征研究。2016年課題組率先使用超高真空分子束外延生長(zhǎng)（MBE）的方法在Ag(111)襯底上成功制備出了單層硼烯（Nature Chemistry 8, 564 (2016)）。通過(guò)對(duì)襯底相互作用的精確調(diào)控，他們還成功制備出蜂窩狀硼烯（Science Bulletin 63, 282(2018)）、準(zhǔn)一維鏈狀混合相硼烯（Advanced Materials 32, 205128 (2020)）、雙層硼烯（Nature Chemistry 14, 25(2022)）等一系列全新的結(jié)構(gòu)。并以單層硼烯為模板成功合成了周期排布幻數(shù)B?團(tuán)簇(PNAS 120, e2215131120 (2023) )。

最近，課題組陳嵐研究員指導(dǎo)博士生馬晨等人利用 MBE在Cu(100)襯底上獲得了高質(zhì)量的單層硼烯樣品，并通過(guò)精確控制生長(zhǎng)參數(shù)在單層硼烯表面得到了由均一團(tuán)簇吸附形成的有序排列的一維鏈狀結(jié)構(gòu)，并與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)武曉君教授、呂海峰副研究員課題組進(jìn)行了第一性原理研究。實(shí)驗(yàn)和理論表明，這些特定尺寸的硼團(tuán)簇由7個(gè)硼原子構(gòu)成。B?團(tuán)簇和單層硼烯之間存在強(qiáng)烈的相互作用驅(qū)動(dòng)了硼原子從硼烯本征的位錯(cuò)位點(diǎn)協(xié)同跳躍遷移到相鄰空位，并引發(fā)底層硼烯在特定方向上的晶格擴(kuò)展，從而反向?qū)崿F(xiàn)了硼團(tuán)簇對(duì)單層硼烯超晶格的周期性調(diào)制。這項(xiàng)工作首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了超越襯底約束的反向硼烯原位超晶格調(diào)制，同時(shí)對(duì)理解團(tuán)簇-硼烯相互作用提供了基礎(chǔ)性見(jiàn)解，為通過(guò)團(tuán)簇吸附實(shí)現(xiàn)襯底支撐特定結(jié)構(gòu)硼烯的可控生長(zhǎng)開(kāi)辟了新途徑。

(a-c)Cu(100)上單層硼烯表面硼團(tuán)簇吸附得到的結(jié)構(gòu)隨覆蓋度增加的形貌演化。(d)三種不同的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的高分辨STM圖像。上：2模式；中：2-3混合模式；下：3模式。(e)上：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型；中：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的理論模擬STM圖像；下：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)STM圖像。(f)單層硼烯上的硼原子在有無(wú)B?團(tuán)簇誘導(dǎo)的情況下向相鄰孔洞遷移的反應(yīng)路徑對(duì)比。(g)單層硼烯在B?團(tuán)簇誘導(dǎo)下發(fā)生定向的超晶格擴(kuò)展的示意圖。

相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 148, 8276 (2026)。物理所博士生馬晨和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王云蕾為文章的共同第一作者；陳嵐研究員、武曉君教授和呂海峰副研究員為文章的共同通訊作者。相關(guān)工作獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家科技重大專項(xiàng)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級(jí)計(jì)算中心等的支持。

編輯：Amyyy