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石墨烯“材料之王”地位或遭动摇,硼“弹簧”出炉  

2017-02-22 16:10:16|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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石墨烯(Graphene)作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,被誉为本世纪最具有颠覆性的“新材料之王”,甚至被称为材料界的“黑金”,享尽了科学界的赞誉和追捧。然而,最近有一种被人熟知的材料来“踢馆”了——硼(boron)——石墨烯的“王者之座”恐将不保!

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不同结构的石墨烯

  之所以如此与众不同,是因为石墨烯是人类发现的首个“二维”材料,它的厚度仅为一个原子,而在它之前,地球上所被发现的所有材料,都是三维。

  硼作为原子序数比碳小1的元素,长期以来也受到了科学家们的关注,2014年,布朗大学的化学教授王来生证明了硼烯(Borophene)具有高度的稳定性。2015年12月,美国阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)、中国南开大学、纽约州立大学石溪分校以及美国西北大学的科学家展开联合攻关,首次在超高真空环境下合成了这种硼元素组成的二维材料。自此之后,有越来越多的实验室在合成单原子厚度的硼烯方面取得了极大进展。

  来自莱斯大学(Rice University)的理论物理学家鲍里斯·雅各布森(Boris Yakobson)则野心更大,他的目标直指一维硼材料,终于获得了重大突破。近日,鲍里斯·雅各布森领导的研究团队利用“第一性原理计算”(first-principles calculations)的方法,模拟出硼材料一维形态的两种同分异构体——双排原子宽度的“硼带”(ribbon),以及单原子宽度的“硼链”(chain)。

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  莱斯大学理论物理学家鲍里斯·雅各布森(右一)

  这两种形态之间存在由张力驱动的可逆相变。例如,金属特征的硼带经过拉伸之后会转变为反铁磁性的半导体硼链,当拉力释放之后,硼链又能恢复成硼带。模拟计算结果显示,硼材料的这两种一维形态均具有独特的性质,硼带的机械刚性完全能与目前已知的高性能材料相媲美。此外,硼材料的这两种结构转化在经过张力校准之后,有望作为纳米级恒力弹簧。

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  随着拉力的变化,硼材料从带状变为链状

  战果赫赫的计算机模拟技术

  雅各布森的实验室还能对现实中可能尚不存在的材料进行原子级的模拟计算,这种对未知材料能量性质的模拟及测试,能够指导科研人员创造出真正的材料。例如,称为碳炔(carbyne)的碳原子长链、硼富勒烯(boron fullerenes)以及二维硼烯(borophene),这些材料在被真正创造出来之前,都是由莱斯大学研究团队提前模拟和预测的。

  雅各布森说:“即便一些结构可能永远也不会存在,这种模拟依然具有价值。因为我们在探索所有可能性的极限,就像探索最后尚未开拓的疆界。”

  硼材料的一维结构存在两种易于分辨的形式(或称,相)——链状和带状,并且两相之间存在“可逆相变”(reversible phase transition)的关系,也就是说,一维硼材料能从带状变为链状,并能从链状可逆地回变为带状。

  为了证明化学中神奇的力学现象,研究人员利用计算机模拟“拉动”64个原子长的桁架状硼带结构的末端,张力迫使硼原子重新排列成链状结构。模拟中,研究人员保留了一小段的硼带结构作为“种子”,当张力释放后,硼原子链又利索的变回了带状结构,过程如下图所示:

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  巨大的潜在用途

  根据雅各布森的介绍,碳和硼两种元素间的价电子数的差异,导致了两种材料的性质非常不同,硼材料倾向于形成一个双排原子结构,就像桥梁建设中使用的桁架结构。这似乎是硼元素最稳定、能量最低的状态,不同于碳元素的正四面体(金刚石)等稳态结构。

  “硼材料和碳材料非常不同,”雅各布森说,“硼材料倾向于形成一个双排原子结构,就像桥梁建设中使用的桁架结构。这似乎是它最稳定、能量最低的状态。”此外,结构的转换外同时还能改变硼材料的电化学性质。

  首先,一维带状硼材料称得上是“真正的一维金属材料”,对晶格畸变(皮尔斯畸变,Peierlsdistortion)具有很强的鲁棒性。桁架状的结构使得带状硼材料具备超高的刚性。

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  模拟过程显示了一维硼材料在张力作用下发生的理论性材料相变:拉伸时由带状结构变为链状结构;释放拉力时,链状结构恢复为带状结构。

  其次,当硼原子形成链状结构时,具有应力可调的、宽带隙的反铁磁性半导体特性。所谓反铁磁性,指的是原子矩(原子“向上”或“向下”的自旋态)向相反的方向对齐。这种磁性状态与电传导特性的耦合,或许是自旋电子学研究人员最感兴趣的,有望通过操纵原子的自旋态创造高性能的电子器件。

  “这将有可能变得非常有价值,因为这不是简单的电荷传输,而是自旋态传输。这被认为是使用自旋电子学制作器件的一个重要方向。”雅各布森说。

  再次,如果只拉伸带状硼结构的一半,将获得一半带状结构和一半链状结构的组合。由于带状结构具有金属性,链状结构则具有半导体特性,组合起来就形成一维可调肖特基结(Schottky junction)。肖特基结是一种简单的金属与半导体的交界面,它与PN结相似,具有非线性阻抗特性,常用于二极管中控制电流单向流通。

  此外,一维硼结构的弹性特征也非常有趣。这种结构可以被看做是一种特殊的弹簧——恒力弹簧(constant-force spring)”。举个简单的例子,对于机械弹簧来说,拉伸量越大,弹力就越大。但是对于一维硼结构来说,每次将其完全拉伸需要等量的力。如果继续拉伸,它就会断裂,但如果释放拉力,它将完全折叠回原始状态的带状结构。

  从机械结构上来讲,这是一种很好的性能,可以用于纳米级传感器,用来测量极其微小的力。

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