低溫AFM助力六方氮化硼氣泡中的氫分離研究進展

    在原子尺寸容積內存儲微量氣體是科研中項十分有意義的研究。其中，阻隔材料的選擇是影響氣體存儲的重要因素：該材料必須形成氣泡來包覆存儲的氣體，且必須在環境下保持穩定，更重要的是材料本身不能與存儲氣體有任何的化學或者物理的相互作用。近期，中國科學院上海微系統與信息技術研究所的王浩敏研究員課題組就這項研究在《自然-通訊》雜志上發表了通過等離子體處理實現六方氮化硼氣泡中的氫分離的工作。

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

圖1. 通過等離子體技術從甲烷中提取氫氣到h-BN夾層中形成氣泡

    同石墨烯類似，h-BN的六邊形網格在結構不被破壞的情況下可以阻止任何種氣體分子或原子穿透其平面，卻對直徑遠小于原子的質子無能為力。這有趣的性使之能夠被很好地應用于“選擇性薄膜”、“質子交換膜”等能源域。而在本文報道的研究中， 王浩敏研究員團隊則巧妙地用h-BN這性，結合等離子體技術，對碳氫化合物氣體（甲烷、乙炔）、氬氫混合氣進行了“氫提取”，并將其穩定地存儲在h-BN表面的微納氣泡中（圖1）。

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

    低溫原子力顯微鏡的測量結果（圖2）證實了被六方氮化硼氣泡包覆的氣體確實是氫氣。文章中，作者使用了套attoAFM I低溫原子力顯微鏡，顯微鏡可以在閉循環低溫恒溫器attoDRY1100（attoDRY2100系列）內被冷卻到低的液氦溫度。在定的測量溫度下，原子力顯微成像結果可以幫助研究者證實在33.2 K ± 3.9 K溫度的時候氣泡消失，證實了被包覆氣體的消失。由于該轉變溫度與氫氣的冷凝溫度（33.18K）接近，該實驗結果可以證明氫氣氣體存在與六方氮化硼氣泡內。該工作成功地在六方氮化硼內存儲了氫氣，為未來氫氣的存儲提供了全新的方法。

圖3. 低溫強磁場原子力磁力顯微鏡以及attoDRY2100低溫恒溫器

低溫強磁場原子力磁力顯微鏡attoAFM/MFM I主要技術點：

-溫度范圍：1.8K ..300 K

-磁場范圍：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   

-商業化探針

-可升PFM, ct-AFM, SHPM, CFM，atto3DR等功能

參考文獻：

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