硼烯是一類由單質(zhì)硼原子組成的二維材料。與石墨烯不同，由于硼原子的核外比碳原子少一個(gè)價(jià)電子，因而硼原子之間傾向于通過電子共享形成多中心鍵，從而導(dǎo)致硼烯晶體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為復(fù)雜的三角晶格混合六方孔洞的形式。獨(dú)特的成鍵方式不僅使得二維硼烯在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出多態(tài)性，也賦予了硼烯諸如機(jī)械柔韌性、透光性、超高的熱電導(dǎo)、一維近自由電子態(tài)、金屬性狄拉克費(fèi)米子以及超導(dǎo)性等優(yōu)異的性質(zhì)。目前實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)在不同金屬襯底上實(shí)現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)的硼烯的制備，然而這些特定硼烯結(jié)構(gòu)的長程有序性與它們和襯底之間的晶格匹配以及界面電荷轉(zhuǎn)移息息相關(guān)。這種襯底依賴性雖然有助于硼烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，同時(shí)也使得硼烯的結(jié)構(gòu)變化非常依賴于對襯底的篩選。理論預(yù)測表明，通過在硼烯表面引入硼團(tuán)簇或其他富硼物質(zhì)可以直接調(diào)控硼烯晶格本身，從而有望實(shí)現(xiàn)超越襯底約束的原位硼烯晶格反向調(diào)制，從本質(zhì)上達(dá)到獨(dú)立于襯底約束條件之外去調(diào)控硼烯晶格結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。

中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室SF09課題組的陳嵐研究員、吳克輝研究員（現(xiàn)錢塘高等研究院）、馮寶杰研究員一直致力于二維硼烯的合成制備以及對其物性的表征研究。2016年課題組率先使用超高真空分子束外延生長（MBE）的方法在Ag(111)襯底上成功制備出了單層硼烯（Nature Chemistry 8, 564 (2016)）。通過對襯底相互作用的精確調(diào)控，他們還成功制備出蜂窩狀硼烯（Science Bulletin 63, 282(2018)）、準(zhǔn)一維鏈狀混合相硼烯（Advanced Materials 32, 205128 (2020)）、雙層硼烯（Nature Chemistry 14, 25(2022)）等一系列全新的結(jié)構(gòu)。并以單層硼烯為模板成功合成了周期排布幻數(shù)B?團(tuán)簇(PNAS 120, e2215131120 (2023) )。

最近，課題組陳嵐研究員指導(dǎo)博士生馬晨等人利用 MBE在Cu(100)襯底上獲得了高質(zhì)量的單層硼烯樣品，并通過精確控制生長參數(shù)在單層硼烯表面得到了由均一團(tuán)簇吸附形成的有序排列的一維鏈狀結(jié)構(gòu)，并與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)武曉君教授、呂海峰副研究員課題組進(jìn)行了第一性原理研究。實(shí)驗(yàn)和理論表明，這些特定尺寸的硼團(tuán)簇由7個(gè)硼原子構(gòu)成。B?團(tuán)簇和單層硼烯之間存在強(qiáng)烈的相互作用驅(qū)動(dòng)了硼原子從硼烯本征的位錯(cuò)位點(diǎn)協(xié)同跳躍遷移到相鄰空位，并引發(fā)底層硼烯在特定方向上的晶格擴(kuò)展，從而反向?qū)崿F(xiàn)了硼團(tuán)簇對單層硼烯超晶格的周期性調(diào)制。這項(xiàng)工作首次在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了超越襯底約束的反向硼烯原位超晶格調(diào)制，同時(shí)對理解團(tuán)簇-硼烯相互作用提供了基礎(chǔ)性見解，為通過團(tuán)簇吸附實(shí)現(xiàn)襯底支撐特定結(jié)構(gòu)硼烯的可控生長開辟了新途徑。

(a-c)Cu(100)上單層硼烯表面硼團(tuán)簇吸附得到的結(jié)構(gòu)隨覆蓋度增加的形貌演化。(d)三種不同的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的高分辨STM圖像。上：2模式；中：2-3混合模式；下：3模式。(e)上：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型；中：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的理論模擬STM圖像；下：2模式的一維鏈狀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)STM圖像。(f)單層硼烯上的硼原子在有無B?團(tuán)簇誘導(dǎo)的情況下向相鄰孔洞遷移的反應(yīng)路徑對比。(g)單層硼烯在B?團(tuán)簇誘導(dǎo)下發(fā)生定向的超晶格擴(kuò)展的示意圖。

相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of the American Chemical Society 148, 8276 (2026)。物理所博士生馬晨和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生王云蕾為文章的共同第一作者；陳嵐研究員、武曉君教授和呂海峰副研究員為文章的共同通訊作者。相關(guān)工作獲得了科技部、國家自然科學(xué)基金、國家科技重大專項(xiàng)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金、中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究青年科學(xué)家項(xiàng)目、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)超級計(jì)算中心等的支持。

編輯：Amyyy