六方氮化硼的微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究取得進(jìn)展

      6月27日，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)室在《自然-通訊》雜志上在線發(fā)表了題為《利用等離子體處理將氫分離到六方氮化硼夾層氣泡中》（Isolating hydrogen in hexagonal boron nitride bubbles by a plasma treatment）的論文。該論文首次報(bào)道通過氫等離子體處理后的多層六方氮化硼（hBN）夾層中會捕獲氫氣并形成氣泡，氣泡大小可控且具有較高的熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，具有進(jìn)一步應(yīng)用于微納機(jī)電器件和儲氫的潛力。 

      h-BN是一種具有極高熱學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性的寬帶隙二維原子晶體。與石墨烯類似，單層h-BN具有六角蜂窩網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)和原子級平整的表面。多層h-BN的層與層之間依靠范德華力結(jié)合。上海微系統(tǒng)所研究人員發(fā)現(xiàn)如果將h-BN晶體置于氫氣等離子體中處理，其表面會形成微米級大小可控的氣泡。進(jìn)一步測量發(fā)現(xiàn)h-BN晶體的層間堆疊形式以AA’方式為主，這種堆疊方式具有多孔對齊的特點(diǎn)。氫氣進(jìn)入等離子體狀態(tài)后會產(chǎn)生大量的氫原子，這些氫原子可以克服h-BN電子云的阻擋，無損地穿透多層h-BN，并在其層間間隔處復(fù)合成為氫氣分子。由于二維h-BN能阻擋氣體分子通過，氫氣最終被限制在h-BN層間間隔處并最終形成氣泡。研究人員還發(fā)現(xiàn)采用這種等離子體工藝能夠成功將氫分子從氬氫混合氣中分離到h-BN夾層中形成氣泡，甚至可以從甲烷或者乙炔等碳?xì)浠衔餁怏w中提取分離出氫氣。 

      研究人員還采用一臺低溫原子力顯微鏡對h-BN表面氣泡進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)原先飽滿的氣泡在溫度從34 K降至33 K的瞬間會突然消失，這一塌縮/膨脹過程可隨降溫/升溫過程反復(fù)出現(xiàn)。該轉(zhuǎn)變溫度與氫氣的液化溫度點(diǎn)（33.18 K）一致，也間接證明了h-BN氣泡中確為氫氣。 

      該研究工作成功利用了h-BN的特殊微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對氫元素的分離、提取及存儲，同時(shí)可控的微米級氣泡制備工藝也為基于二維原子晶體的微納機(jī)電器件及力學(xué)研究提供了全新的方案。 

      該研究工作由上海微系統(tǒng)所研究員王浩敏課題組、華中科技大學(xué)教授張道禮課題組、奧地利維也納大學(xué)教授Jannik Meyer課題組、日本國家材料科學(xué)研究所教授Takashi Taniguchi課題組及東南大學(xué)教授倪振華課題組合作完成。工作獲得國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、中科院先導(dǎo)B類和上海市自然科學(xué)基金的資助。論文的第一作者賀立為上海微系統(tǒng)所與華中科技大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，王浩敏與張道禮為共同通訊作者。