上海微系統(tǒng)所在六方氮化硼的微觀結(jié)構(gòu)及應(yīng)用研究中取得進展

      6月27日，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點實驗室在《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和化學穩(wěn)定性，具有進一步應(yīng)用于微納機電器件和儲氫的潛力。

      h-BN是一種具有極高熱學和化學穩(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。氫氣進入等離子體狀態(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氫化合物氣體中提取分離出氫氣。

      研究人員還采用了一臺低溫原子力顯微鏡對h-BN表面氣泡進行了測量，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（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)實現(xiàn)對氫元素的分離、提取及存儲，同時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電器件及力學研究提供了全新的方案。

      該研究工作由中科院上海微系統(tǒng)所王浩敏研究員課題組，華中科技大學張道禮教授課題組，奧地利維也納大學Jannik Meyer教授課題組，日本國家材料科學研究所Takashi Taniguchi教授課題組及東南大學倪振華教授課題組合作完成。工作獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金面上項目、中國科學院先導B類和上海市自然科學基金的資助。論文的第一作者賀立為上海微系統(tǒng)所與華中科技大學聯(lián)合培養(yǎng)的博士研究生，王浩敏研究員與張道禮教授為共同通訊作者。