二维结构的硼烯或硼烷多晶型物凭借其各向异性的金属性、电子效应和多样的超晶格结构而备受关注。然而，硼烷在空气中会迅速氧化，这使其只能在超高真空条件下进行实验与表征，严重阻碍了其实际应用。对此，化学钝化是抑制电子材料发生环境氧化的常用手段。第一性原理计算表明，硼烯也可以通过表面氢化来稳定。除钝化作用外，对硼烯进行化学修饰还可以调节其电子特性。尽管已有研究实现了硼烯异质结构，但是尚未有报道涉及硼烷的有序化学修饰。

美国西北大学教授、ACS Nano杂志副主编、美国麦克阿瑟“天才奖”获得者Mark C. Hersam教授等人通过在超高真空中用原子氢氢化硼烯来合成硼烷多晶型物。通过原子级成像、光谱学和第一性原理计算，作者发现氢化提供了化学钝化作用，在环境中暴露后，硼烷的氧化速率降低了两个数量级以上。而且可以通过简单的加热除氢处理，将氢化的硼烯恢复其本征状态。该研究以题为“Synthesis of borophane polymorphs through hydrogenation of borophene”的论文发表在《Science》上，并被选为封面论文，值得一提的是，论文的第一作者为中国留学生Qiucheng Li。

文章亮点：

1. 作者用原子氢对硼烯进行氢化处理，并通过STM观察氢处理过程中的硼烯变化情况，发现氢原子吸附在硼烯上。作者在实验中观测到8种不同结构的硼烷。

2. 作者通过XPS、AFM对硼烯暴露在空气中的变化情况进行表征，未经修饰的硼烯在空气中会在1小时内快速氧化，生成氧化物B2O3。而氢化硼烯的空气稳定性则大大提高，暴露于空气中1周后才发生氧化。此外，氢修饰的硼烯在300 ℃加热处理后，能够恢复其本征结构。

3. 作者通过CO-STM对rect-v1/6-30°结构的硼烯上的氢原子进行表征，并通过DFT计算了各种吸附氢原子的结构稳定性规律，发现存在3种稳定结构的氢原子：在顶部形成B-H键，在桥结构位点形成B-H-B键，或者同时在顶部、桥结构上吸附两种结构。

4. 作者通过STM对rect-v1/6-30°结构的硼烯的局部功函LWF进行表征，测试其FER（场发射共振信号），发现其FER信号有两个，分别为~4.0 eV和~4.5 eV，这可能是由表面电位波纹所致。随后对其他几种不同结构的硼烷进行功函测试，发现相互有所区别，这种区别可能是由于B-H键不同和偶极变化导致。

图1 硼烯的原子级表征

图2 硼烯的环境稳定性

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/371/6534/1143