硼是周期表上第5号元素，相比于碳，硼原子最外层缺少一个电子，因而硼与硼之间能形成复杂的多中心多电子的化学键，使得低维硼单质成为结构最丰富的材料之一。由少数分子构成的硼团簇被认为是各个维度下硼单质的基本组成单元，因此受到广泛的关注和研究。例如硼三维块体和化合物的基本结构单元为二十面体的B12团簇。而平面或准平面的Bn（n=3-12，36）团簇被认为是二维硼烯形成的前驱物。早期对硼团簇的研究主要是利用光电子能谱和理论计算研究气相中硼团簇的基本行为，揭示了硼团簇的平面结构和双/多中心-两电子的电子离域稳定机制。然而，只有少数理论工作研究了硼在表面上从小团簇到二维结构的演变，但对于硼团簇在表面上的形成、扩展乃至生成二维硼烯的过程则仍然缺乏相应的实验研究。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面实验室SF9组吴克辉研究员/陈岚研究员课题组在硼烯合成制备研究中进行了长期的探索和积累，并取得了丰富的研究成果，包括首次获得单层硼烯（Nature Chemistry 8, 564 (2016)）和硼烯纳米带（Physical Review Materials 1, 021001(R) (2017)），制备出蜂窝状结构（Science Bulletin 63, 282(2018)）和准一维链状混合相的硼烯（Advanced Materials 32, 205128 (2020)），并进一步在2022年成功制备出高质量稳定的双层硼烯(Nature Chemistry 14, 25(2022))。
图1 单层硼烯的STM形貌图、原子结构图、STM模拟图；单层硼烯及铜衬底的电荷分布
最近陈岚研究员和吴克辉研究员指导博士生陈彩云（现在香港科技大学做博士后）等率先利用超高真空分子束外延（MBE）在Cu(111)表面的单层硼烯上实现了尺寸均一的硼幻数团簇的可控制备和有序阵列分布。实验人员与中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心武晓君教授和吕海峰博士合作进行了第一性原理研究，明确了硼团簇由5个硼原子组成的平面五元环结构“立式”吸附在单层硼烯表面，揭示了单层硼烯中的电荷分布促进了B5团簇在表面的形成和排列的机制。
图2 单层硼烯上硼团簇的STM表征以及向双层硼烯的演变
理论与实验研究进一步表明硼团簇在单层硼烯上紧密堆积吸附之后，将表现出“多米诺骨牌效应”般的结构转变，B5团簇从“立式”变成“躺式”，相邻B5团簇之间形成化学键，导致其自发转变为双层硼烯，表明具有独特尺寸和规则排列的硼团簇对于二维硼烯的形成至关重要，填充了硼团簇结构和二维双层硼烯结构之间演变过程的空白,并阐明了前期合作工作中所发现的双层硼烯结构的形成机理（Nature Chem. 2022, 14, 25）。
图3 不同硼团簇（Bn）的原子结构以及在单层硼烯上吸附分布；B5 团簇吸附在单层硼烯上的STM模拟图，结构图以及电荷分布
这项工作不仅首次实现了非气相条件下硼团簇周期构筑，并对硼团簇的分布、生长、化学性质、以及双层硼烯的形成有了更加全面的认识。该项工作是吴克辉研究员/陈岚研究员课题组与武晓君教授课题组近年来在低维硼烯相关研究的拓展和延续，为未来低维硼结构的合成和探索提供了新思路。
图4 单层硼烯表面B5团簇向双层硼烯的演变
该工作以“Selective Binding and Periodic Arrangement of Magic Boron Clusters on Monolayer Borophene”为题在线发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。中国科学技术大学微尺度物质科学国家研究中心吕海峰博士和中科院物理所陈彩云博士为该论文共同第一作者。陈岚研究员、武晓君教授和吴克辉研究员为该论文共同通讯作者。相关工作获得了科技部、国家自然科学基金、中科院战略性先导科技专项、中科院青年基础团队等项目的支持。
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编辑：小聪
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