硼烯是指由硼元素構成的二維平面結構，獨特的二維六角蜂窩狀結構賦予其保羅·狄拉克錐的能帶結構和新奇量子效應。
但理論計算表明，由于電子的缺失，自由狀態下蜂窩狀硼烯并不能穩定存在。
內容簡介
硼烯是一種單原子厚的硼薄片，是由硼原子構成的單原子層厚的二維材料，比石墨烯更強、更輕、更柔韌，被科學界寄予厚望，或將成為繼石墨烯之后又一種“神奇納米材料”，有望給電池、電子產品、傳感器、太陽能電池和量子計算帶來革命性的變化。
然而，單原子層硼烯的合成是具有挑戰性的。石墨烯可以使用像透明膠帶這樣簡單的東西從固有的層狀石墨中剝離，而硼烯不能僅從塊狀硼中剝離，取而代之的是，要獲得硼烯通常需要制備生長，因此需要襯底作為載體或者支撐。
5年前，來自同一研究團隊的科學家們首次創造了只有單原子厚度的硼烯。理論研究預測認為，制備雙層硼烯是可能的，但這項研究的聯合資深作者、西北大學的馬克·赫薩姆說：“理論很少告訴你實現這種新結構所需的綜合條件。”
如果生長單層硼烯都很困難，那么生長多層原子平面結構的硼烯似乎是不可能的。由于塊狀硼不像石墨那樣是層狀的，超出單原子層的生長會導致形成團簇，而不是平面結構。研究人員稱，試圖生長多層硼烯的關鍵就在于找到阻止團簇形成的生長條件。
研究團隊發現，正確條件的關鍵是用來生長硼烯的襯底。在這項研究中，研究人員在平面的銀質襯底上培養了硼烯。當暴露在非常高的溫度下時，銀會在原子級臺階結構之間形成異常平坦的“梯田”。
當在這些巨大而平坦的“梯田”上“種植”硼烯時，研究人員看到了第二層的形成。這種雙層材料既保持了硼烯所有理想的電子性能，又存在新的優點。例如，這種材料由兩層原子層厚的薄片黏合在一起，中間有空間，可用來儲存能量或化學物質。
“有理論預測，雙層硼烯是一種很有前途的電池材料。”赫薩姆說，“層與層之間的空間提供了容納鋰離子的地方。”
研究團隊希望繼續生產更厚的硼烯，或者創造出具有不同原子幾何結構的雙層硼烯。
研究背景
石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳結構，是目前已知的最薄、最堅硬的納米材料。繼石墨烯之后，科學家希望找到更多具有優良特性的二維材料。元素硼因是碳的“近鄰”而成為首要目標。然而，被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯并非自然存在，只能人工合成。科學家對硼烯的理論結構預測已逾10年之久，但從未成功合成。即便有個別的薄膜等樣品，其結構也是異常復雜。因此，硼烯的制備成為國際凝聚態物理及材料物理界公認的世界難題。
研究歷程
2014年，南開大學物理學院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基于進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構。該研究進一步激發了實驗學家挑戰合成硼烯的興趣。2015年12月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、紐約州立大學和西北大學（埃文斯頓）等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長出褶皺的單原子層硼烯。聯合團隊獲得的實驗結果與理論模型幾乎完全符合。南開大學團隊承擔了該研究的理論計算工作。
2021年8月26日，發表在《自然·材料》雜志上的最新研究，美國西北大學工程師首次創造出一種雙層原子厚度的硼烯，打破了硼在單原子層限制之外形成非平面團簇的自然趨勢。
材料特性
硼烯因其優越的電學、力學、熱學屬性，被科學界寄予厚望，或將成為繼石墨烯之后又一種“神奇納米材料”。
硼烯具有非常豐富的晶體結構和電子性質，理論預測可以存在的硼單層膜結構有很多，目前為止只發現其中的兩種。通過制備出更多種類的硼烯，有希望從中發現一些具有奇異電子性質的結構，例如理論預測中具有保羅·狄拉克錐的能帶結構或者具有超導特性的硼烯等。體相的硼單質是非金屬性的，而理論計算中單原子層的硼烯薄膜卻都是金屬性的。日本東京大學馮寶杰等人利用角分辨光電子能譜研究了這種硼烯薄膜，觀察到了費米面處的電子pocket和空穴pocket結構，進一步驗證了其金屬特性。
硼烯材料具有優越的各向異性的電導性質和罕見的“負泊松比”現象。所謂“各向異性電導”是指由于硼烯的原子排列結構使得其表面呈現出“褶皺”，而這樣的結構決定了硼烯導電屬性具有方向性。而水平拉伸導致垂直方向膨脹的“負泊松比”現象也令硼烯的應用更加多樣化。
硼烯還有可能成為超導體。美國Rice大學Boris Yakobson等人通過理論計算發現，在金屬襯底上制備出的幾種穩定的單層硼烯結構有可能具有以聲子為媒介的超導特性，其超導轉變溫度預計在10-20K之間。清華大學倪軍教授研究組也通過計算預言了帶翹曲結構的雙層硼烯薄膜有超導的可能性，其中8-C2/m-II結構的硼烯的超導轉變溫度可以達到27.6K。2017年，日本東京大學Matsuda研究組用高分辨電子能量損失譜(ARPES)測量，意外發現β相硼烯中存在有Dirac費米子。研究結果表明，β相硼烯中有一些硼原子對費米面附近電子態貢獻很小，而有貢獻的原子晶格類似于蜂窩狀結構，因此可以存在Dirac電子態。這個發現意味著硼烯中可能存在更有意思的量子效應和令人期待的應用前景。
產品應用
硼烯的化學性質相對穩定，有可能在大氣環境下存在，有助于克服硅烯、磷烯等易被氧化不穩定的缺點，在納米器件方面具有潛在的應用價值。硼烯較短的鍵長也會使其具有較好的機械性能。對于硼烯的研究才剛剛開始，隨著對其研究的逐漸深入，硼烯所具有的神奇原子結構和奇特物理性質將進一步被人們所了解，為將來硼烯的應用提供可能。
參考資料 >
科學家首次造出雙層硼烯材料----中國科學院.中國科學院.2021-08-29