二维硼的生长和物性探索

Two dimensional boron sheet, which names borophene, is the newest monoelemental two dimensional crystal. Borophene with different atomic structures was theoretically predicted to have rich electronic properties from metal to semiconductor. Recently, a very big breakthrough made by our group is the first successful growth of borophene on Ag(111) surface in experiment. Our results indicate the borophene is metallic, and has similar structure strength as graphene. More interestingly, compared with other 2D materials (silicene, germanene and black phosphorus), borophene can be relatively stable against oxidization. There results indicate the borophene has great possibility in applications and will be a new research field. In this project, we will focus on the growth and characterization of physical properties of borophene. At first, we will realize the growth of large-area and high-quality borophene with special atomic structure on different types of substrates through molecule beam epitaxy. Then, we will perform the surface analysis skills to investigate the basic physical properties of borophene, such as electronic structures, lattice vibration, local density of states, and so on. After that, we will exfoliate the borophene from substarte and construct the transistors based on borophene to investigate the transport properties of borophene. At last, we will research how to manipulate the physical properties of borophene, for example, through adsorption and doping of foreign atoms and molecules. If it is possible, we will research how to realize the novel quantum phenomenon such as superconductivity in borophene. We hope this project will help to give a possible research way through the gate of research filed of borophene.

二维硼（即硼烯）是最新的单元素二维晶体，理论预测有着随结构可调的电子性质。最近我们刚刚在实验上获得突破，国际上首次生长出了硼烯。我们的研究表明硼烯有着与石墨烯相比拟的结构强度和金属性，而且相比于其他的二维晶体，化学稳定性较强，有可能成为一个新的研究领域。在本项目中，我们将主要针对硼烯的生长调控和基础物性探索等方面开展研究工作。拟利用超高真空分子束外延技术，在不同类型的衬底上实现高质量、大面积的硼烯，实现特定结构的硼烯的制备。利用各种表面分析手段，深入研究硼烯的电子结构、晶格振动等基本物性，以此为基础，实现硼烯与衬底的分离，构筑基于硼烯的电子器件，获得硼烯器件的基本性能。此外，利用掺杂、吸附等方法，探索调控硼烯物性的手段，以及探讨如何引入其他的量子特性，如超导性等。我们期望通过本项目对硼烯全方位的研究，可以为硼烯这一全新二维晶体材料的发展提供深入的研究途径和可靠的技术手段。

硼烯是由硼元素构成的单原子层二维晶体，理论预测有着多样性的原子结构，随结构可调的电子性质，而且有着与石墨烯相比拟的结构强度和金属性，是目前新发展起来的热门研究领域。在本项目中，我们主要针对硼烯的生长调控和基础物性探索等方面开展研究工作。我们拟利用超高真空分子束外延技术，在不同类型的衬底上实现高质量、大面积的硼烯，以及特定结构的硼烯的制备。利用各种表面分析手段，深入研究硼烯的基本物性，并以此为基础探讨对硼烯量子特性的调控。最终希望构筑基于硼烯的电子器件，获得硼烯器件的基本性能。主要研究成果有：在硼烯的生长方面，我们获得了硼烯的亚稳相，生长获得了硼烯纳米带，可控合成有序的准一维硼烯链混合相；物性表征方面，我们在硼烯的面内同质结中发现一维近自由电子态，在硼烯中发现了狄拉克锥能带结构；在调控方面，我们利用衬底电荷转移的办法实现了蜂窝状结构的硼烯。在器件和输运特性方面我们也进行了初步探索，先从拓扑/铁磁绝缘体薄膜异质结以及铁磁外尔半金属器件的构筑方面入手，成功测量实现了反常霍尔效应，为将来硼烯二维异质结器件的构筑和输运特性测量打下了坚实的基础。除此之外，在其他一些二维体系中也做出了一些研究成果，包括首次发现二维节线半金属，发现二维CO分子晶体的反常相变等。本项目一共发表了SCI论文23篇，包括Nature Communications 2篇，Science Advances 2篇，Physical Review Letters 3篇，Advanced Materials 1篇，Science Bulletin 1篇，Physical Review Materials 3篇，并培养了7名博士研究生。