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Nature Chemistry:提升10000000倍

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硼的同素异形体因其多样的结构特征和独特的性质而备受关注;然而,尽管目前已鉴定出多种相态,但要获得同时具备高电导率和可塑性的硼同素异形体仍是一项挑战。


燕山大学周向锋教授、翁晓基等人报道了通过高压下形成Na4B60前驱体,再经钠脱气处理合成出Imma-B60。该同素异形体具有高电导率和可塑变形性,其结构为开放框架型,由通过双中心和三中心σ键连接的三角形B3单元相互连接而成的B12二十面体构成。Imma-B60表现出窄带隙(<0.2 eV)和约9×102 S m-1的电导率,比β-硼高出七个数量级。值得注意的是,它可通过位错介导的滑移机制实现高达约23%的优异塑性变形。这一发现不仅建立了一种基于前驱体的高效策略来获得亚稳态材料,还极大地拓展了硼在传统超硬、半导体相之外的应用潜力。


相关工作以《An open-framework boron allotrope exhibiting high conductivity and plasticity》为题在《Nature Chemistry》上发表论文。值得注意的是,这也是燕山大学首次以第一通讯单位在《Nature Chemistry》上发表论文。

图文介绍


图1 通过两步策略合成硼同素异形体Imma-B60

Na4B60(也称NaB15)早在50多年前被首次发现,但其性质长期未被深入研究,主要原因是难以制备出尺寸大于50微米的高质量单晶。为解决作为前驱体使用时的关键前提条件,本文开发了一种改进的高压合成方法。由于锌与硼和钠的互溶性较低,在高压反应过程中战略性地引入了锌层,以抑制硼-钠界面处的过度成核(图1a)。该方法显著促进了Imma-Na4B60单晶的生长,晶体尺寸从100至300微米不等(图1b)。

通过单晶X射线衍射(SC-XRD)进一步确定了合成的硼化钠晶体结构。结果表明,样品具有此前报道的正交晶系Imma空间群结构,即Na4B60。此外,研磨后的晶体的粉末XRD图谱与Imma-Na4B60的模拟图谱高度吻合(图1c)。经精修后,Imma-Na4B60的原子结构由每个晶胞内四个B12二十面体和12个间隙B原子(B5位于8h Wyckoff位点,B6位于4e位点)组成,同时包含四个Na原子(图1d)。这种原子排列形成了一个开放的硼框架,为后续钠的去除提供了合理的扩散通道。

选用高品质的Imma-Na4B60晶体作为钠去除的前驱体。在真空条件下对样品进行400℃以上的热处理,有助于实现钠的逸出,从而获得残留钠含量不同的样品。尽管对于较大的Na4B60单晶而言,完全去除钠仍具挑战性,但通过在10-4 Pa压力下将小尺寸的Na4B60晶体(粒径<3 μm)在900℃下退火48小时,可重复地实现近乎完全的钠去除。经EDS分析,所得B60中残留钠含量低至0.05 at%,接近背景检测限。这一成功的钠去除是本研究策略的关键步骤,通过清除模板中的碱金属原子,有效“构建”出最终的硼骨架结构,从而实现了传统合成方法难以达到的硼相空间区域。

精修分析表明,Imma-B60结构模型能很好地拟合脱气样品的粉末XRD数据(图1c)。这种高度吻合的结果,加上与Imma-Na4B60及其他已报道的硼同素体相比,在峰位和峰强上存在明显差异,使得已知的硼相形成的可能性被排除。DFT计算表明,Imma-B60在热力学上为亚稳态,但在动力学上是稳定的。综上所述,这些结果有力证明了通过该两步法成功合成了一种名为Imma-B60的硼同素体。实验XRD图谱中出现的若干非常弱的衍射峰(图1c,黑色箭头)未被理想的Imma模型所包含,将其归因于缺陷相关的衍射效应,可能与晶体中的间隙态B原子有关。


图2 Imma-B60的开放式框架结构

进一步采用集成差分相位对比扫描透射电子显微镜(iDPC-STEM)来证实钠的去除,并直接可视化Imma-B60同素体的原子结构。图2比较了材料在热脱气前后沿[100]和[010]取向观察到的iDPC-STEM图像。在Na4B60前驱体中,iDPC-STEM对轻元素具有极高的灵敏度,能够清晰地显示Na(黄色球体)和B(蓝色球体)的原子列(图2a、b),其结构与模拟结果高度一致。热脱气后,Imma-B60图像中Na信号明显消失(图2c、d)。

具体而言,沿[100]取向的成像显示,由于Na被完全移除,形成了开放通道(图2c)。尽管在脱气前后沿[010]取向的整体晶体结构模式相似(图2b与图2d对比),但图2d中明显可见间隙态Na原子处的对比度显著下降。脱去Na后,沿[010]取向的间隙B5原子(8h位点)变得清晰可辨(图2d,蓝色箭头),而沿[100]取向,在Na4B60和B60两种结构中均可识别到间隙B6原子(4e位点,红色箭头)。值得注意的是,在整个脱气过程中,B12二十面体保持完整,其沿[100]的八个投影原子位置以及沿[010]的十二个投影位置均得以保留(图2a-d)。


图3 Na4B60和B60的电子与光学性质

Imma-B60的电子和光学性质已进行表征,并与其前驱体Imma-Na4B60进行了对比。通过多次独立测量,Imma-B60表现出窄带隙半导体行为,同时具有高电导率。在室温下,B60的平均电导率为(9.1±1.8)×102 S m-1,比Na4B60的电导率(8.3±1.0)×10-2 S m-1(图3a)高出约四个数量级。该数值也远超元素硼同素体通常报道的电导率范围(10-5-10-4 S m-1),高出六到七个数量级,且与碳化硼的电导率相当。Imma-B60的电导率随温度升高而增加(dσ/dT>0),表明其具有半导体输运特性。从三次独立实验中估计,其电学带隙平均值为0.12±0.01 eV。

光学吸收光谱和Tauc图分析提供了其光学带隙(图3b、c)。Na4B60表现出直接带隙1.46±0.06 eV和间接带隙1.04±0.04 eV,而Imma-B60的带隙显著更小,平均直接带隙为0.21±0.01 eV,间接带隙为0.07±0.01 eV。Imma-B60通过光学测定得到的间接带隙与电学测量结果得出的数值高度吻合。与典型的较宽带隙二十面体硼同素体相比,其带隙明显减小,使Imma-B60处于元素硼独特的电子态空间。这表明其在新型光电或热电应用方面具有潜力,这些应用此前尚未被探索过。有趣的是,对理想无缺陷的Imma-B60结构进行的DFT计算预测其具有金属特性。


图4 B60纳米柱在单轴压缩下的塑性变形

原位单轴压缩实验中,对[010]取向的Imma-B60和Imma-Na4B60纳米柱进行了研究,结果显示出显著不同的力学响应(图4a)。Na4B60纳米柱在约9%的弹性应变下以脆性方式断裂。相比之下,Imma-B60纳米柱在经历约9%的弹性变形后,仍表现出持续的塑性变形,可承受额外约23%的应变,最终总应变为约32%,且未发生灾难性断裂(图4b)。为理解这种优异塑性的原子级机制,进一步使用HRTEM对Imma-B60纳米柱进行了原位压缩实验。这些实验显示,在塑性变形过程中形成了明显的滑移带(图4d、e)。放大后的HRTEM图像(图4f)显示,这些约5 nm宽的滑移带通过{011}<0-11>滑移系统进行工作。

对滑移带区域(图4g)和未变形区域(图4h)进行的比较FFT分析显示,滑移带区域存在明显的点状展宽现象,并且在滑移带范围内出现了约5°的晶格旋转(用红色圆圈标出),表明该区域晶格畸变程度增加。此外,ABF-STEM表征直接识别出塑性变形区域内的刃型位错(图4i),证实位错滑移是主导所观察到塑性的主要机制。因此,这种由位错介导的塑性行为以及应变滑移带的形成,共同导致了Imma-B60表现出卓越的塑性。这一发现挑战了传统认为二十面体硼网络本质上脆性的观点,表明合适的框架拓扑结构可赋予原本超硬共价固体显著的延展性,从而为设计具有优异机械韧性的材料开辟了新的范式。

文献信息

An open-framework boron allotrope exhibiting high conductivity and plasticity,Nature Chemistry,2026,https://www.nature.com/articles/s41557-026-02267-7

(来源:网络版权属原作者 谨致谢意)

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