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是一的絕緣體，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還擁有較高的熱穩(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)被冷卻到較低的液氦溫度。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。

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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.

二維材料為創(chuàng)建電子設(shè)備（例如晶體管和發(fā)光二極管）提供了令人興奮的新平臺(tái)。單原子厚的晶體家族包括金屬，半導(dǎo)體和絕緣體。其中許多在環(huán)境條件下都是穩(wěn)定的，其屬性通常與三維尺寸的屬性明顯不同。即使將幾層堆疊在一起也可以改變電子特性，使其適合于下一代電池，智能手機(jī)屏幕，探測(cè)器和太陽(yáng)能電池等。更為神奇的是：甚至可以使用辦公用品來(lái)自己動(dòng)手制造二維材料。2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲得者就是通過(guò)透明膠帶剝離鉛筆芯中的石墨來(lái)獲得單原子厚度的石墨烯。

那么，為什么二維材料在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中還沒(méi)有廣泛應(yīng)用呢？因?yàn)樵雍竦?-D晶體的制造良品率很低，并且它們的光學(xué)對(duì)比度范圍很廣，在顯微鏡下找到它們是一項(xiàng)繁瑣的工作。

現(xiàn)在，由東京大學(xué)（University of Tokyo）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)已成功地使用機(jī)器學(xué)習(xí)使該任務(wù)自動(dòng)化。使用了許多帶有各種照明的標(biāo)記示例，以訓(xùn)練計(jì)算機(jī)檢測(cè)薄片的輪廓和厚度，而不必微調(diào)顯微鏡參數(shù)。作者Satoru Masubuchi說(shuō)：“通過(guò)使用機(jī)器學(xué)習(xí)而不是傳統(tǒng)的基于規(guī)則的檢測(cè)算法，我們的系統(tǒng)對(duì)于更改條件具有魯棒性。

該方法可推廣到許多其他二維材料，有時(shí)不需要任何附加數(shù)據(jù)。實(shí)際上，僅通過(guò)使用二碲化鎢實(shí)例進(jìn)行訓(xùn)練，該算法就能夠檢測(cè)二硒化鎢和二硒化鉬薄片。由于能夠在不到200毫秒的時(shí)間內(nèi)確定剝離樣品的位置和厚度，因此該系統(tǒng)可以與電動(dòng)光學(xué)顯微鏡集成在一起。

通訊作者Tomoki Machida說(shuō)：“二維材料的自動(dòng)搜索和分類將使研究人員只需通過(guò)剝離和運(yùn)行自動(dòng)算法即可測(cè)試大量樣品。這將大大加快基于二維材料的新型電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)周期，并推進(jìn)對(duì)二維電子中的超導(dǎo)性和鐵磁性的研究。”

論文標(biāo)題《Deep-learning-based image segmentation integrated with optical microscopy for automatically searching for two-dimensional materials》。

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