研究背景

迄今为止，大多数实验合成的2D材料都可以追溯到3D层状范德华材料，如石墨、六方氮化硼或过渡金属二硫化物。这些材料中的强定向共价平面键和弱范德华层间相互作用，使得单层材料能够被剥离、起皱、折叠、卷曲等操作。然而，用更离域的相互作用类型代替定向平面内结合，对单个2D层的剥离和操作提出了挑战。2D硼或硼烯薄膜就是一个典型例子，其中定向和更离域的三中心键都有助于平面内相互作用。

尽管已经有从块状B粉末液相剥离几层厚B薄片的成功实例，但严格单层独立的硼烯很难实现，因为共价B-B键往往在相邻层间形成，从而形成超薄的3D B薄膜。可以推测，具有更强平面内相互作用离域的材料可能不允许严格单原子厚度独立单层的实验分离。特别是，由于强烈的离域金属键合，元素金属通常不适宜形成2D材料，因为它们倾向于形成各向同性的结构。因此，尽管在润湿基板上生长2D金属薄膜相对简单，但由于金属键合的基本3D性质，将无支撑的单原子金属层视为有形的物理对象是违反直觉的。

研究成果

近日，日本北海道大学Andrey Lyalin & 瑞典隆德大学Alexei Preobrajenski合作报道了一种自下而上的策略来制造宏观尺寸、几乎独立的2D金（Au）单层，由纳米结构贴片组成。通过在Ir（111）基底上形成Au单层，并在Au/Ir界面嵌入硼（B）原子，实现了具有六边形结构和三角形纳米级图案的悬浮单原子Au片。在B/Ir（111）基底上的Au双层中，观察到周期性纳米点的替代图案。利用扫描隧道显微镜、X射线光谱学和理论计算，揭示了埋入的B原子在形成纳米结构Au层中的作用。衬底解耦时Au单层能带结构的变化，表明从3D到2D金属键合的转变。所得Au薄膜表现出显著的热稳定性，为研究2D金的催化活性提供了可能。相关研究工作以“Boron-induced transformation of ultrathin Au films into two-dimensional metallic nanostructures”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

研究内容

这项研究证明了生长由周期性纳米结构贴片组成的宏观尺寸且几乎独立的2D Au单层的可行性。采用自下而上的方法，包括在Ir（111）基底上形成Au单层，然后在Au/Ir界面有序嵌入B原子。这导致了一种规则的纳米结构悬浮单原子Au片，具有六边形结构和略微调制的晶格常数。此外，在形成第二Au单层时，观察到从2D到3D的结构转变，形成了具有替代纳米结构图案的Au双层。结合多种实验技术和密度泛函理论（DFT）计算，揭示了埋入B原子的作用和性质。所制备金薄膜展现出显著的热稳定性，使其成为用于测试2D金催化活性理论的实用平台。

图1. 通过嵌入界面B在Ir（111）上形成单原子Au层的纳米结构

图2. 通过嵌入界面B在Ir（111）上形成2ML厚Au膜的纳米结构

图3. 揭示埋入界面B的结构

图4. 从角分辨光电子能谱（ARPES）和密度泛函理论（DFT）得到的2D金属薄膜的电子结构

图5. 使用具有周期性边界条件（pGFN FF）的通用力场计算解开B/Ir（111）上单层金中的纳米图案结构

结论与展望

总之，这项研究设计了一种自下而上的策略，通过在Au/Ir界面有序嵌入B原子，来生产大尺寸、几乎独立的纳米结构2D Au单层。如ARPES和DFT所示，Au单层与金属基底的解耦引发了其电子性质的转变，表明了从3D到基本2D金属键合的转变。对于Au双层，采用相同的方法，产生了互连的周期性纳米点的替代调制模式。通过结合STM、基于同步加速器的X射线光谱学和理论计算，揭示了埋入B原子的结构及其在形成纳米结构Au单层和双层中的关键作用。界面B原子并未形成通常在Ir（111）表面上观察到的χ型硼芬，而是吸附在Ir基底空心位点上。Au/B/Ir异质结构中的应变使B夹层变得不完整，1-ML和2ML Au薄膜中缺失的B原子的不同模式决定了不同的纳米结构图案。

所制备Au薄膜表现出显著的热稳定性，在真空中可承受高达500°C的温度，并在环境条件下保持弹性。这些金薄膜的成功制造为深化对二维金属材料的理解提供了新的视角。此外，它们可以作为自组装各种大分子和纳米粒子的稳定平台，为研究其催化、光学和磁性应用提供了宝贵的见解