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六方氮化硼为什么不导电?
风纪社001E3
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项目名称二维氮化硼材料的控制生长及其在拉曼光谱中的应用
批准金额120 万元
所属类别海外及港澳学者合作研究基金
与石墨烯一样，二维氮化硼材料是今年发展起来的明星材料，它的结构与石墨烯非常类似，是石墨烯的等电子体，但石墨烯是一种零带隙的半导体材料，而二维氮化硼是一种宽带隙（5.9 eV）的绝缘体材料，在电学性质上两者截然不同。在我们前期的研究中发现石墨烯是一种拉曼信号的增强基底。作为其等电子体的二维氮化硼材料能不能作为拉曼信号的增强基底是本项目关注的一个重要问题。目前，单层或少层的二维氮化硼材料的制备也是采用与石墨烯类似的制备方法，即通过机械剥离的方法制备。但是这种低效的制备方法很难适应实际应用的需求。为此，本项目的主要目标就是：1）发展大面积二维单层或少层氮化硼的化学气相沉积控制生长方法；2）探索单层或少层氮化硼在表面增强拉曼光谱中应用。
结题摘要与石墨烯一样，二维氮化硼材料是今年发展起来的明星材料，它的结构与石墨烯非常类似，是石墨烯的等电子体，但石墨烯是一种零带隙的半导体材料，而二维氮化硼是一种宽带隙（5.9 eV）的绝缘体材料，在电学性质上两者截然不同。在我们前期的研究中发现石墨烯是一种拉曼信号的增强基底。h-BN在结构上与石墨烯非常类似，但石墨烯是一种零带隙的半导体材料，而h-BN是一种宽带隙（5.9 eV）的绝缘体材料，在电学性质上两者截然不同。它能否作为拉曼散射信号的增强基底是我们关心的一个重要问题，同时，能否对拉曼散射增强机理的理解有所帮助？目前，单层或少层的二维氮化硼材料的制备也是采用与石墨烯类似的制备方法，即通过机械剥离的方法制备。但是这种低效的制备方法很难适应实际应用的需求。为此，本项目的主要目标是发展大面积二维单层或少层氮化硼的化学气相沉积控制生长方法；探索单层或少层氮化硼在表面增强拉曼光谱中应用；探索其它二维原子晶体材料的制备和增强拉曼散射研究。
通过本项目的实施，我们在二维原子晶体材料的拉曼散射增强以及大面积二维半导体材料的生长方面取得一系列进展，包括：（1）研究了单层氮化硼的化学增强机理，并比较了不同属性二维材料（石墨烯和MoS2）的拉曼增强；（2）研究了氮化硼和石墨烯上拉曼增强的首层效应；（3）研究了石墨烯拉曼增强的层数依赖关系和分子选择性；（4）研究了各向异性二维原子材料的拉曼散射增强效应；（5）在材料合成方面，发展了大面积带隙可调的MoS2(1-x)Se2x单层半导体合金材料的生长方法并研究了其拉曼散射效应。共发表论文22篇，申请专利1项，培养研究生6名。
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　　近日莱斯大学的一项研究发现“柱撑氮化硼-石墨烯”（graphene separated by nanotube pillars of boron nitride）是一种绝佳的储氢材料，这一发现可能为氢动力新能源汽车带来突破。
　　该研究的主要作者是莱斯实验室的材料科学家鲁兹贝赫&沙萨瓦里（Rouzbeh Shahsavari）和法尔扎内&沙亚甘法（Farzaneh Shayeganfar），相关论文刊登在美国化学学会《Langmuir》期刊上。
　　氧掺杂柱撑氮化硼-石墨烯的示意图，硼原子（粉色）和氮原子（蓝色）组成了一个个“柱子”，在两个石墨烯层之间为氢原子（白色）“撑”出空间，氧原子（红色）掺杂其中。
　　他们的研究通过计算机模拟实现，第一步需要先制作氮化硼-石墨烯结构：先模拟出坚韧又富有弹性的柱撑石墨烯结构，然后将氮化硼纳米管和石墨烯无缝结合形成独特的三维结构。
　　柱撑氮化硼-石墨烯储氢的原理并不复杂，我们都知道在建筑中使用柱子承重可以创造出更多的空间。基于相同的原理，氮化硼-石墨烯中的“柱子”也能为氢原子腾出空间，但难点在于如何进一步增加放进去的氢原子数量，并在需要的时候将它们释放出来，这也是此项研究的重点。
　　根据沙萨瓦里实验室最新的分子动力学模拟显示，若向材料中添加氧或锂将使它们结合氢的能力进一步提升。
　　他们的这一计算研究主要针对四个变体：分别掺杂氧、锂的柱撑氮化硼和柱撑氮化硼-石墨烯结构。
　　结果显示，在室温和环境压力下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢能力是最好的，其能携带11.6%重量的氢并有着约60克/升的储氢容量，在这一点上它打败了包括多孔氮化硼、金属氧化物骨架(MO frameworks)和碳纳米管在内的诸多竞争者。
　　此外，在-321华氏度的低温下，氧掺杂的氮化硼-石墨烯的储氢重量可以进一步提升至14.77%。
　　那么这个储氢能力究竟如何呢？作为对比可以看一下目前美国能源部对经济型储氢介质规定的目标――在常规条件下达到5.5%的氢气储存重量和40克/升的储存容量、即使是终极目标也不过7.5%的储存重量和70克/升的储存容量。
　　“氧和氢具有良好的化学亲和力，因此向基底中掺入氧气使材料能够更好地结合氢气”，沙萨瓦里这样解释掺杂提高储氢能力的原因。除此之外，氮化硼与石墨烯结合后所体现出的极化性质、石墨烯自身的高电子迁移率等特性，也使得材料在实际应用中变得高度可调。
　　“我们目前正在努力寻找最佳配置，”沙萨瓦里说道，这个最佳配置应是一种材料的表面积和重量、温度和压力之间的平衡。“计算建模是目前来说来唯一实际的研究办法，因为在计算机上可以很快地测试许多变量试验，而实际做的话往往要花费数个月的时间。”
　　目前来看，这种材料能够轻易实现能源部规定的氢燃料罐要可以承受1500次充放循环的要求，并且研究者认为其已经足够稳健实用。
　　编辑：宋杨
　　参考：http://phys.org/news/2016-10-scientists-boron-nitride-graphene-hybrid-next-gen.html
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编辑、视觉设计、实习生（编译）
地点：北京
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知名IT评论人，曾就职于多家知名IT企业，现是科幻星系创建人
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