第一作者：Andrew J. Mannix

通讯作者：Boris I. Yakobson

第一单位：西北大学（美国）

核心内容：

1.理论计算如何指导二维硼烯的实验合成。

2.硼烯如何为二维材料开拓更大的局面。

自从石墨剥离得到石墨烯取得成功以来，各种各样的原子级超薄二维材料都陆续从层状固体材料中衍生而来。虽然如此，新型二维材料的发现与合成仍然是材料领域最艰巨的挑战之一。组成元素、生长基质和制备条件等多种因素，都对合成单层二维材料起到了关键作用。

近年来，计算理论、算法和计算机硬件方面的快速发展，使得科研人员能够从理论上预测更加复杂的材料结构和性能。高精尖的合成仪器和手法也为理论预测提供了实验验证的途径。理论和实验的交互验证，开辟了众多全新的二维材料，如硅烯、锗烯、锡烯、锑烯、铋烯和碲烯等等。

有鉴于此，美国西北大学Boris I. Yakobson 和Mark C. Hersam课题组，阐述了如何通过计算预测与实验证实，来制备单层硼烯二维材料。

图1 硼烯结构和性能总结

硼烯具有各向异性和金属性，因此被描述为最轻的二维金属，同时也表现出独特的机械、光学和各向异性金属性，这是对传统二维材料的补充。硼-硼键的多中心特性致使其在结构上容易形成空位结构，因此在电子应用、化学官能化、材料合成和复杂结构构造方面，为二维材料领域提供了前所未有的多样性。

图2 硼结构和化学基础

图3 二维硼在真空和基底上的计算模拟理论

由于块状硼结构不是天然分层的，因此硼烯本质上是亚稳态的，总能量比块状硼高。这种亚稳定性表明需要合适的基底来合成二维硼烯。理想情况下，这样的基底会表现出对硼原子足够的附着力，使得沉积的硼负载在其表面，同时又不会足够牢固地与硼结合，形成化合物。

经过计算表明，银基底可以满足这些条件。由于二维原子核可以完全与基底相互作用以降低其形成能，与三维原子核相反，其中只有一部分硼原子可以受益于基底的相互作用，所以二维生长具有较小的成核势垒。一旦硼以二维模式成核，在动力学上则不倾向于形成三维结构。

图4 硼烯的实验合成

图5 硼烯的未来应用前景

总之，二维多晶型硼烯可以通过调整结构各向异性和空位结构，来改变原子级薄层材料的性能，为二维材料打开了新的一扇窗户。

文献链接：

AndrewJ. Mannix, , Boris I. Yakobson , Mark C. Hersam et al. Borophene as a prototypefor synthetic 2D materials development. Nature Nanotechnology 2018, 13, 444–450.

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