低溫AFM助力六方氮化硼氣泡中的氫分離研究進(jìn)展

    在原子尺寸容積內(nèi)存儲(chǔ)微量氣體是科研中一項(xiàng)十分有意義的研究。其中，阻隔材料的選擇是影響氣體存儲(chǔ)的重要因素：該材料必須形成氣泡來(lái)包覆存儲(chǔ)的氣體，且必須在環(huán)境下保持穩(wěn)定，更重要的是材料本身不能與存儲(chǔ)氣體有任何的化學(xué)或者物理的相互作用。近期*上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所的王浩敏研究員課題組就這項(xiàng)研究在《自然-通訊》雜志上發(fā)表了通過(guò)等離子體處理實(shí)現(xiàn)六方氮化硼氣泡中的氫分離的工作。

    單層六方氮化硼（h-BN）是一種由硼氮原子相互交錯(cuò)組成的sp2軌道雜化六邊形網(wǎng)格二維晶體材料。在所有現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的范德瓦爾斯(van der Waals )單原子層二維材料（2D Materials）中，h-BN是*的絕緣體，因此其被認(rèn)為是納米電子器件中理想的超薄襯底或絕緣層材料。此外，h-BN還擁有*的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性，使得它被廣泛研究并應(yīng)用于超薄抗氧化涂層。研究表明，h-BN在1100 ℃以下都能很好地發(fā)揮其穩(wěn)定的抗氧化功效。

圖1. 通過(guò)等離子體技術(shù)從甲烷中提取氫氣到h-BN夾層中形成氣泡

    同石墨烯類(lèi)似，h-BN的六邊形網(wǎng)格在結(jié)構(gòu)不被破壞的情況下可以阻止任何一種氣體分子或原子穿透其平面，卻對(duì)直徑遠(yuǎn)小于原子的質(zhì)子無(wú)能為力。這一有趣的特性使之能夠被很好地應(yīng)用于“選擇性薄膜”、“質(zhì)子交換膜”等能源領(lǐng)域。而在本文報(bào)道的研究中， 王浩敏研究員團(tuán)隊(duì)則巧妙地利用h-BN這一特性，結(jié)合等離子體技術(shù)，對(duì)碳?xì)浠衔餁怏w（甲烷、乙炔）、氬氫混合氣進(jìn)行了“氫提取”，并將其穩(wěn)定地存儲(chǔ)在h-BN表面的微納氣泡中（圖1）。

圖2. a: 六方氮化硼光學(xué)顯微鏡照片；b: 六方氮化硼34K與33K溫度下的低溫原子力顯微鏡形貌圖，當(dāng)溫度34K時(shí)存在氣泡（圖中亮色部分）；c: 六方氮化硼氣泡不同溫度下的高度，當(dāng)溫度33K時(shí)氣泡消失

    低溫原子力顯微鏡的測(cè)量結(jié)果（圖2）證實(shí)了被六方氮化硼氣泡包覆的氣體確實(shí)是氫氣。文章中，作者使用了一套attoAFM I低溫原子力顯微鏡，顯微鏡可以在閉循環(huán)低溫恒溫器attoDRY1100（attoDRY2100系列）內(nèi)被冷卻到極低的液氦溫度。在特定的測(cè)量溫度下，原子力顯微成像結(jié)果可以幫助研究者證實(shí)在33.2 K ± 3.9 K溫度的時(shí)候氣泡消失，證實(shí)了被包覆氣體的消失。由于該轉(zhuǎn)變溫度與氫氣的冷凝溫度（33.18K）接近，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明氫氣氣體存在與六方氮化硼氣泡內(nèi)。該工作成功地在六方氮化硼內(nèi)存儲(chǔ)了氫氣，為未來(lái)氫氣的存儲(chǔ)提供了全新的方法。

圖3. 低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡以及attoDRY2100低溫恒溫器

低溫強(qiáng)磁場(chǎng)原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM I主要技術(shù)特點(diǎn)：

-溫度范圍：1.8K ..300 K

-磁場(chǎng)范圍：0...9T (取決于磁體, 可選12T，9T-3T矢量磁體等)

-工作模式：AFM（接觸式與非接觸式）, MFM

-樣品定位范圍：5×5×5 mm3

-掃描范圍: 50×50 mm2@300 K, 30×30 mm2@4 K   

-商業(yè)化探針

-可升級(jí)PFM, ct-AFM, SHPM, CFM，atto3DR等功能

參考文獻(xiàn)：

Haomin Wang et al, Isolating hydrogen in hexagonal boron nitride bubbles by a plasma treatment, Nat. Commun., 2019, 10, 2815.