物理所等實現硼幻數團簇的合成和有序組裝

　　硼是周期表中第5號元素。相比于碳，硼原子最外層缺少一個電子，因而硼與硼之間能形成復雜的多中心多電子的化學鍵，使得低維硼單質成為結構最豐富的材料之一。由少數分子構成的硼團簇被認為是各個維度下硼單質的基本組成單元，因而受到廣泛的關注和研究。例如，硼三維塊體和化合物的基本結構單元為二十面體的B12團簇。而平面或準平面的Bn（n=3-12，36）團簇被認為是二維硼烯形成的前驅物。早期對硼團簇的研究主要是利用光電子能譜和理論計算探究氣相中硼團簇的基本行為，揭示了硼團簇的平面結構和雙/多中心-兩電子的電子離域穩定機制。然而，只有少數理論工作探討了硼在表面上從小團簇到二維結構的演變，但對于硼團簇在表面上的形成、擴展乃至生成二維硼烯的過程缺乏相應的實驗研究。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心表面實驗室SF9組研究員吳克輝/陳嵐課題組在硼烯合成制備方面展開了長期研究并取得了豐富的成果：首次獲得單層硼烯【Nature Chemistry 8, 564 (2016)】和硼烯納米帶【Physical Review Materials 1, 021001(R) (2017)】，制備出蜂窩狀結構【Science Bulletin 63, 282(2018)】和準一維鏈狀混合相的硼烯【Advanced Materials 32, 205128 (2020)】，并進一步制備出高質量穩定的雙層硼烯【Nature Chemistry 14, 25(2022)】。

　　近日，陳嵐和吳克輝指導的博士研究生陳彩云（現在香港科技大學做博士后）等，利用超高真空分子束外延（MBE）在Cu(111)表面的單層硼烯上實現了尺寸均一的硼幻數團簇的可控制備和有序陣列分布。實驗人員與中國科學技術大學微尺度物質科學國家研究中心教授武曉君、博士呂海峰合作，進行第一性原理研究，明確了硼團簇由5個硼原子組成的平面五元環結構“立式”吸附在單層硼烯表面，揭示了單層硼烯中的電荷分布促進了B5團簇在表面的形成和排列的機制。

　　理論與實驗研究進一步表明，硼團簇在單層硼烯上緊密堆積吸附之后，將表現出“多米諾骨牌效應”般的結構轉變，B5團簇從“立式”變成“躺式”，相鄰B5團簇之間形成化學鍵，導致其自發轉變為雙層硼烯，表明具有獨特尺寸和規則排列的硼團簇對于二維硼烯的形成至關重要，填充了硼團簇結構和二維雙層硼烯結構之間演變過程的空白，并闡明了前期合作研究所發現的雙層硼烯結構的形成機理（Nature Chemistry 2022, 14, 25）。

　　上述研究首次實現了非氣相條件下硼團簇周期構筑，更加全面地認識了硼團簇的分布、生長、化學性質以及雙層硼烯的形成。該工作是吳克輝/陳嵐課題組與武曉君課題組近年來在低維硼烯相關研究的拓展和延續，為未來低維硼結構的合成和探索提供了新思路。

　　相關研究成果以Selective Binding and Periodic Arrangement of Magic Boron Clusters on Monolayer Borophene為題，在線發表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。研究工作得到科技部、國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項和中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃等的支持。