山东农业大学：不到1纳米，打通“银色通道”

二维材料是一种非常薄，厚度在原子级（单层或少数层原子，通常小于1纳米）且横向（二维平面）尺寸远大于纵向（厚度）的平面材料。虽然薄，但它们并不“单薄”，反而常常拥有传统材料没有的电子结构和物理性质，被认为是未来电子器件、量子器件和低维功能材料的重要候选体系。

“材料性能好并不等于器件一定好。”比如说，再好的高速公路，也需要顺畅的入口和出口。二维材料要真正工作，也需要和金属电极连接。而电子要从金属电极进入二维材料，首先要经过二维材料—金属界面这个“连接处”。如果这个连接处结构不清楚、接触势垒较高，或者电子通过时不够顺畅，二维材料本身再优异的性能也难以充分发挥。

硼烯正是研究这类界面的理想对象。它由硼原子组成，是近年来快速发展的新型二维材料。相比大家熟悉的石墨烯，硼烯结构更加多变、金属性更强，成键方式也更灵活。这意味着它不仅可能成为高导电二维材料，还可能与金属原子形成更紧密、更可调控的界面。因此，在硼烯与金属接触时，“金属原子如何参与界面构筑？界面处会形成怎样的化学键？这些原子尺度的连接方式又会如何影响电子注入和传输？”等一系列关键问题被抛出。

近日，信息科学与工程学院高乾副教授与中国科学院物理研究所、南开大学等单位合作，精准构筑了二维材料—金属界面。相关成果以“Substrate-Induced One-Dimensional Borophene-Silver Hybridization”为题发表在国际权威期刊《Journal of the American Chemical Society》上，山东农业大学为该工作的第一署名单位。

围绕二维材料接触难题，研究团队首先提出了一种新的界面设计思路，即让金属衬底不再只是“托住”硼烯，而是在晶格失配和局域应力的驱动下，贡献银原子并参与界面构筑。这样，银原子链便可嵌入硼烯边界，与硼烯一起形成原子级金属接触。这种利用衬底作用和局域应力引导界面形成的方式被定义为“衬底诱导—应力驱动”机制。

基于这一思路，研究团队采用分子束外延方法，在超高真空条件下将硼原子沉积到洁净的银单晶表面，并通过调控衬底温度等生长条件获得硼烯。随着相邻硼烯畴区逐渐靠近，界面处产生局域应力，银衬底中的银原子随之进入边界区域，排列成一维银原子链。它并不是简单“趴”在硼烯表面，而是与周围硼烯晶格连接起来，形成二维硼烯—银链横向杂化界面，即在二维硼烯中接入了一条“银色通道”。

为了看清这条“银色通道”，研究团队利用扫描隧道显微镜和扫描隧道谱进行原子尺度表征。观察发现，这些界面在图像中呈现为沿特定方向延伸的明亮线条，并具有清晰的周期性调制。它们不是随机缺陷，而是一类结构有序、特征鲜明的低维杂化界面。研究团队进一步利用第一性原理计算进行原子级还原。理论模拟得到的图像与实验结果高度一致，表明这些明亮线状结构对应于由嵌入式银原子链和邻近硼烯晶格共同构成的横向杂化界面。

银原子的参与改变了界面区域的原子排布和局域电子结构，揭示了金属衬底在原子级界面形成中的主动作用。该研究表明，银衬底不只是提供了一个生长平台，还真正参与了硼烯—金属接触的搭建。进一步的电子结构分析表明，嵌入式银原子链与邻近硼原子之间形成了具有极性特征的共价键。由此产生的电荷转移和轨道耦合，一方面有助于稳定银链—硼烯横向界面，另一方面能够降低局域接触势垒，促进电子由金属银向硼烯注入。从器件角度看，这一点非常重要。理想的金属接触应该像顺畅的入口通道，让电子快速进入二维材料，而不是让它们在界面处“排队等待”。该界面呈现出欧姆接触的特征，意味着它有望为二维材料中的电子注入提供更加顺畅的通道。

该成果实现了硼烯—银金属横向界面的精准构筑，并从原子尺度揭示了其结构特征、成键方式和电子耦合机制。成果同时表明，二维材料—金属接触界面的形成并非只由生长过程自然决定，还可以通过衬底作用、局域应力和原子排列实现有目的的调控与设计。

“这一研究为理解二维材料与金属电极之间的接触行为提供了新的物理图像，也为解决二维器件中的界面耦合和电子注入问题提供了新的思路。”高乾副教授表示，未来，通过调控衬底类型、界面应力和原子排列方式，有望进一步构筑具有特定电子性质的二维材料—金属界面，为低阻接触、混维异质结构和新型低维功能器件的设计提供基础。

（山东农业大学）

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