六方氮化硼表面封裝的氫氣氣泡

      單層六方氮化硼（h-BN）是一種由硼氮原子相互交錯(cuò)組成的sp2軌道雜化六邊形網(wǎng)格二維晶體材料。在所有現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的范德瓦爾斯(van der Waals )單原子層二維材料（2D Materials）中，h-BN是唯一的絕緣體，因此其被認(rèn)為是納米電子器件中理想的超薄襯底或絕緣層材料。此外，h-BN還擁有極高的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性，這使之被廣泛研究并應(yīng)用于超薄抗氧化涂層。有研究表明，h-BN在1100 ℃以下都能很好地發(fā)揮其穩(wěn)定的抗氧化功效。

      同石墨烯類似，h-BN的六邊形網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)不被破壞的情況下可以阻止任何一種氣體分子/原子穿透其平面卻對(duì)直徑遠(yuǎn)小于原子的質(zhì)子無能為力。這一有趣的特性使之能夠被很好地應(yīng)用于“選擇性薄膜”、“質(zhì)子交換膜”等能源領(lǐng)域。而在本文報(bào)道的研究中，來自中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所（信息功能材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）的王浩敏研究員團(tuán)隊(duì)則巧妙地利用h-BN這一特性，結(jié)合等離子體技術(shù)，對(duì)碳?xì)浠衔餁怏w（甲烷、乙炔）、氬氫混合氣進(jìn)行了“氫提取”，并將其穩(wěn)定地存儲(chǔ)在h-BN表面的微納氣泡中。（圖1）圖2. 多層h-BN的平面掃描透射電子顯微鏡（STEM）表征。a，電子束掃描示意圖。b，多層h-BN的平面HAADF成像；scale bar：1 nm。c，對(duì)應(yīng)于（b）中綠色箭頭的信號(hào)強(qiáng)度，體現(xiàn)出多層h-BN的AA’堆垛結(jié)構(gòu)。
      不同于多層石墨烯的AB層間堆垛結(jié)構(gòu)，多層h-BN則更容易形成AA' 的層間堆垛結(jié)構(gòu)。由于AA' 堆垛的h-BN中每一層的孔洞在垂直于平面方向上都直接對(duì)齊，這使得質(zhì)子在多層h-BN中能夠更加容易地自由穿梭，h-BN也就具備了比多層石墨烯更好的質(zhì)子傳導(dǎo)率。圖2展示了研究人員對(duì)h-BN平面進(jìn)行的STEM表征情況，從圖2（c）中每一組信號(hào)的強(qiáng)度比可以看出實(shí)驗(yàn)中的h-BN樣品是AA' 堆垛結(jié)構(gòu)。（如果是AA堆垛，即N原子在N原子上方，B原子在B原子上方，則會(huì)使得每一組原子信號(hào)的HAADF強(qiáng)度比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖2（c）中所呈現(xiàn)的情況）

      圖3. h-BN表面氣泡的充放氣過程。a，常壓下的h-BN表面氣泡光學(xué)圖像，scale bar：20 μm；b，（a）中紅色箭頭標(biāo)注的h-BN氣泡分別在34 K和33 K兩個(gè)溫度點(diǎn)所測到的AFM形貌圖像，scale bar：3 μm；c，對(duì)應(yīng)于（b）圖中藍(lán)/綠虛線的高度形貌曲線，顯示出h-BN表面氣泡在33 K突然消失；d，h-BN氣泡消失的轉(zhuǎn)變溫度點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖。
      為了證明氣泡內(nèi)的氣體成分，研究人員采用一臺(tái)低溫原子力顯微鏡對(duì)h-BN表面氣泡進(jìn)行表征。該設(shè)備腔體內(nèi)充滿了5 mbar的4He氣體，并可以在4 K到300 K范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)溫度。圖3（a-c）展現(xiàn)了一個(gè)h-BN表面氣泡在34 K和33 K兩個(gè)不同溫度點(diǎn)所測試到的截然不同的形貌特征，該氣泡在僅僅1 K的降溫過程中突然“消失”了，而當(dāng)溫度再次回到34 K時(shí)該氣泡可以“復(fù)原”。這一“充放氣過程”可以通過升降溫度反復(fù)實(shí)現(xiàn)，而這一變化的臨界溫度點(diǎn)被稱為“轉(zhuǎn)變溫度”(Ttransition)。圖3（d）對(duì)大量的氣泡“轉(zhuǎn)變溫度”進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，而最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果也非常接近氫氣的轉(zhuǎn)變溫度（~33 K）。