六方氮化硼表面封装的氢气气泡

      单层六方氮化硼（h-BN）是一种由硼氮原子相互交错组成的sp2轨道杂化六边形网格二维晶体材料。在所有现已发现的范德瓦尔斯(van der Waals )单原子层二维材料（2D Materials）中，h-BN是^的绝缘体，因此其被认为是纳米电子器件中理想的超薄衬底或绝缘层材料。此外，h-BN还拥有极高的热稳定性及化学稳定性，这使之被广泛研究并应用于超薄抗氧化涂层。有研究表明，h-BN在1100 ℃以下都能很好地发挥其稳定的抗氧化功效。

      同石墨烯类似，h-BN的六边形网格在结构不被破坏的情况下可以阻止任何一种气体分子/原子穿透其平面却对直径远小于原子的质子无能为力。这一有趣的特性使之能够被很好地应用于“选择性薄膜”、“质子交换膜”等能源领域。而在本文报道的研究中，来自^科学院上海微系统与信息技术研究所（信息功能材料国家重点实验室）的王浩敏研究员团队则巧妙地利用h-BN这一特性，结合等离子体技术，对碳氢化合物气体（甲烷、乙炔）、氩氢混合气进行了“氢提取”，并将其稳定地存储在h-BN表面的微纳气泡中。（图1）图2. 多层h-BN的平面扫描透射电子显微镜（STEM）表征。a，电子束扫描示意图。b，多层h-BN的平面HAADF成像；scale bar：1 nm。c，对应于（b）中绿色箭头的信号强度，体现出多层h-BN的AA’堆垛结构。
      不同于多层石墨烯的AB层间堆垛结构，多层h-BN则更容易形成AA' 的层间堆垛结构。由于AA' 堆垛的h-BN中每一层的孔洞在垂直于平面方向上都直接对齐，这使得质子在多层h-BN中能够更加容易地自由穿梭，h-BN也就具备了比多层石墨烯更好的质子传导率。图2展示了研究人员对h-BN平面进行的STEM表征情况，从图2（c）中每一组信号的强度比可以看出实验中的h-BN样品是AA' 堆垛结构。（如果是AA堆垛，即N原子在N原子上方，B原子在B原子上方，则会使得每一组原子信号的HAADF强度比远远大于图2（c）中所呈现的情况）

      图3. h-BN表面气泡的充放气过程。a，常压下的h-BN表面气泡光学图像，scale bar：20 μm；b，（a）中红色箭头标注的h-BN气泡分别在34 K和33 K两个温度点所测到的AFM形貌图像，scale bar：3 μm；c，对应于（b）图中蓝/绿虚线的高度形貌曲线，显示出h-BN表面气泡在33 K突然消失；d，h-BN气泡消失的转变温度点统计图。
      为了证明气泡内的气体成分，研究人员采用一台低温原子力显微镜对h-BN表面气泡进行表征。该设备腔体内充满了5 mbar的4He气体，并可以在4 K到300 K范围内自由调节温度。图3（a-c）展现了一个h-BN表面气泡在34 K和33 K两个不同温度点所测试到的截然不同的形貌特征，该气泡在仅仅1 K的降温过程中突然“消失”了，而当温度再次回到34 K时该气泡可以“复原”。这一“充放气过程”可以通过升降温度反复实现，而这一变化的临界温度点被称为“转变温度”(Ttransition)。图3（d）对大量的气泡“转变温度”进行了统计，而最终统计结果也非常接近氢气的转变温度（~33 K）。