在2021 年 10 月发表在美国化学学会期刊《应用纳米材料》上的一篇论文中，工程师们揭示了一种特殊合成的硼烯（Borophene）的超导特性。据介绍，这项研究背后的团队来自中国青岛山东大学信息科学与工程学院——该机构专门研究硼烯、二维硼烯纳米材料以及该金属的新应用，包括作为锂离子电池的负极材料。

最近，他们首次成功合成了氢化硼烯（B 8 H 4），这一发展为二维硼基半导体开辟了可能性。

据《科学》报道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）于 2015 年首次在基材上合成。尽管新兴领域仍然存在挑战，但这为硼纳米片（ boron nanosheets）开辟了一个新时代。然而我们必须承认，第一个合成的硼纳米片结构不稳定，难以探索其新的物理性质。2016 年发表在《物理化学化学物理》上的研究发现，hydrogenating borophene可以使其稳定。

2021 年初，研究人员发现使用原子氢氢化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）会产生局部功函数（ local work function）较低的氢化硼烯（hydrogenated borophene），在正常空气中可稳定数天，并且只需通过热驱除银基板上的碳即可回收。

这些进步意味着科学家们现在可以使用稳定的氢化硼烯来探索其特性和应用。如果没有稳定的氢化硼烯，就不可能对半导体中的硼烯进行最新的研究。

这些对硼烯进行凝聚态理论分析的科学家们使用“第一性原理”（“first-principles” ）计算方法来确定其性质和应用。

第一性原理方法根据原子组成粒子（电子和原子核）之间的基本相互作用来描述凝聚态物质。这改变了材料建模的传统方法：不是在系统级别描述材料，量子（尽可能小的）组件和相互作用构成了理解的基础。

原子之间的所有相互作用，例如化学和分子键合，都是由这些粒子级别的基本相互作用决定的。这意味着这些相互作用的准确计算机模型应该揭示由此产生的所有复杂物理现象。

支配这些相互作用的物理学相当简单且易于理解。只有两种粒子类型——电子和原子核——它们的行为符合基本量子力学定律。然而，第一性原理建模仍然是一个非常困难的计算挑战。

这是因为计算机需要解决的问题非常庞大，就输入它的计算数量而言。开发准确有效的理论和计算技术来处理每个粒子及其在物质中的相互作用对于凝聚态理论的研究至关重要。

最新研究中的第一性原理分析表明，氢化硼烯适用于纳米级场效应晶体管 (FET)。FET 使用电场来控制半导体器件中的电流流动。它们具有三个终端：源极、栅极和漏极。

由于 FET 具有 100 MΩ 或更高的高栅漏（gate-to-drain）电阻，因此在 control 和flow之间提供了良好的隔离。它们还比双极结型晶体管 (BJT) 产生更少的噪声，并且在零漏极电流时没有偏移电压。FET 通常也比 BJT 具有更高的热稳定性。

FET 适用于极低功耗的开关，这意味着由于散热需求的减少，它们可以有效地小型化。

新研究包括对应变工程下单层 B 8 H 4的可调电子特性的详细评估，这对二维和纳米级半导体制造很重要。

该团队还展示了基于B 8 H 4的 FET 在弹道传导方面的表现。弹道传导是携带能量的粒子在超导体材料中相对长距离的稳定流动。硼基 FET 半导体在该应用中显示出良好的电气性能。该论文表明，基于原始B 8 H 4的 FET可以满足国际半导体技术路线图 (ITRS) 对高性能纳米级器件的要求。

ITRS 每年由来自欧洲、日本、韩国、台湾和美国的半导体行业人士在 1998 年至 2015 年期间制定。此后，它已被国际设备和系统路线图 (IRDS) 所取代，该路线图是在IEEE的赞助下发起的。

路线图为纳米级电子产品设定了未来，展示了植入物、可穿戴设备、物联网设备和生物医学治疗在未来几十年将如何发展。

基于B 8 H 4的 FET 是用于未来小型化电子产品的半导体材料的良好候选者。这些器件在仅 5 nm 的沟道长度下运行良好，在导通电流、延迟时间和功率延迟乘积方面表现良好。

研究人员发现，在 5% 双轴压缩应变的情况下，基于B 8 H 4的 FET 可以进一步缩小到仅 3 nm 的栅极长度。

总体而言，该论文的作者相信 B 8 H 4适用于小于 5 nm 的 FET 中的应用，并且基于硼的半导体在纳米技术的未来中具有广阔的前景。

硼烯（borophene）：二维材料新成员

以石墨烯为代表的二维（2D）材料，因其具有优异的导电性和力学性能，正被快速用于制备尺寸更小、响应速度更快的电子设备和更强大的储能设备。

目前已经发现的2D材料包括：石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、锡烯（stanene）、硼烯（Borophene）以及过渡金属硫化物（如MoS2）等。

而硼烯（Borophene），它的发现被业内人士称为“开创了2D材料的最新篇章”。

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硼烯是硼原子的单分子层结晶，硼的2D同素异形体。

硼烯是2D材料俱乐部的后来者，部分原因是因为硼本质上是一种3D元素，很难得到平面结构，因为硼只有三个价电子，需要通过形成框架结构来补偿缺失的电子，才能更好地共享电子。

硼烯最早在1990年代中期被理论预言，2015年，在不同结构的硼烯实验中被证实。

2015年，纽约州立大学石溪大学的Artem R. Oganov、西北大学的Mark C. Hersam以及阿贡国家实验室的Nathan P. Guisinger带领的团队使用电子束蒸发器，在超高真空度下，450到700℃的温度范围内，烧蚀固体硼，在银的表面上首次成功制备出了只有一个原子厚度的硼烯：一种很薄的晶片状2D硼片。

虽然硼本身是一种不良导电体，但科学家们发现，硼烯实际上是“完全金属性的”，这个属性在其他2D材料(通常是半导体)中很罕见。

此外，未受保护的硼烯样品在几个小时内就会氧化，但是一层硅涂层可以使它们在几周内保持稳定。可以把制备好的硼烯转移到绝缘的基板上，精确地测量它的电导率，但这绝非易事，德国化学家赫尔曼·萨克德夫说，“因为硼几乎会与周围的任何物质发生反应。”

然而，硼的高化学活性性可能正是其优势。硼烯可以很容易地被其他化学物质改性，或掺杂在其他材料中以微调其特性。硼和许多硼化合物都非常硬，如果硼烯的化学活性能够受控，它可能比其他更易碎的2D材料，如硅或锗(分别为2D的硅片和锗片)更容易处理。此外，硼烯的电子密度比石墨烯高，这使低温条件下硼烯转变为超导体成为可能。

硼烯一经问世就引起了全球科学家的关注，主要原因是其独特的各向异性的柔韧性和其完全金属性。它被称为新型神奇材料，有望在电池、传感器和催化化学方面带来革命性的变化。

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合成与性能

石墨烯通常只有一种晶形，而硼烯却拥有多种晶形，理论上可有1000多种晶形，每种晶形都具有不同的特征。

图示说明了硼烯薄片的各个角上的边是如何连接的。由莱斯大学(Rice University)领导的材料科学家预测，硼烯(硼的2D同素异形体)的形状可被控制。

硼烯最初是在超高真空条件下利用固体硼原子源合成的。原子级清洁度的银基板为硼烯生长提供一个精心“设计”的惰性表面。原位电子表征印证了理论预测，即制备的硼烯是金属性的，并具有 “起伏状”的平面结构。

它的起伏结构后来归因于硼烯非常小的弯曲刚度(即产生单位旋转所需的力矩)和它对银的反应性。结果表明，银基底材制备的硼烯，其电子性能和力学性能都具有很强的各向异性。

银基底材制备的2D硼烯呈现波状起伏

自最初发现硼烯以来，人们对其不同晶形下的超导、力学、电子和光学性质进行了大量研究。现在已经用包括金、铜和铝在内的许多不同的基底材料制造出了不同晶形的硼烯。

2019年，该领域取得了一项重大突破，即利用“可扩展工艺”首次合成了不依赖基底材料的硼烯。

硼烯强韧且透明，不仅是热和电的良导体，还是超导体。根据一些计算性预测，硼烯可在比石墨烯更高的温度下转变为超导体。第一性原理的计算表明，某些晶状硼烯的超导转变温度可高达24.7K，远远高于石墨烯计算预测的8.1K和实验观察到的7.4K。

其力学性能和电气特性的各向异性使其具有可调谐性，这也是科学家和工程师对其潜在应用感到兴奋的原因之一。理解如何表征和控制硼烯的原子结构对于获得理想性能的硼烯掺入产品至关重要。

尽管许多研究人员对硼烯的独特性能感到兴奋，但这种材料的商业化面临着重大障碍。首先，硼烯具有较高的化学反应活性，因此在常温下很难处理。即使是小批量生产，也很困难。像许多其它2D材料一样，硼烯容易氧化。这通常被认为是缺点，但是，氧化也有助于提高结构的稳定性和调整性能的便利性。

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硼烯的应用场景

利用硼烯的特性，已出现了各种应用场景，例如：

柔性电子产品

2D材料可用来开发小型化混合电子装置，以利用其卓越的特性。研究人员相信，高导电性石墨烯有望用于柔性电子产品，但是对于需要拉伸，压缩甚至扭曲的设备来说，石墨烯太硬了，显然不是理想的材料。

如果将硼烯转移到弹性基板上，其独特的起伏结构将赋予其高拉伸性。换句话说，有可能利用硼烯制造出可变形且能够恢复到原有形状的器件。同时，由于硼烯具有金属导电性，因此它非常适合用于柔性电子器件。

研究人员面临的一个主要挑战是，与许多2D材料一样，硼烯对外部环境高度敏感，迄今为止，在电子器件中使用时，硼烯还没有显示出长久的稳定性和可靠性。目前，研究人员正在开发新的成像技术，以捕获2D材料中单个原子的运动来了解电子设备的潜在失效模式。

电池电极材料

锂离子电池由于其功率密度高和使用寿命长而在电子设备中普遍采用。近年来，钠离子电池也因其运行成本低、运行安全性高而越来越普及。2D材料独特的形态，使离子能够快速扩散，并使其适合于用作电极。硼烯具有较高的存储容量，因而具有极高的功率密度和电化学性能，是一种极有前途的锂离子和钠离子电池电极材料。最近的一项研究报道，硼烯是迄今为止所有已研究的2D材料中电存储容量最高的。

催化剂

2D材料由于其独特的特性（包括大表面积和新颖的电子态）而具有用作催化剂的巨大前景。硼烯可以用作制氢，氧还原和二氧化碳电化学还原的催化剂。特别是二氧化碳的电化学还原，在应对气候变化方面具有巨大的潜力。然而，由于缺乏稳定和有效的催化剂，目前这方面进展缓慢。

氢存储介质

所有单位质量的燃料中，氢的能量是最高的。近年来，受能源储存需求以及氢和燃料电池技术进步的驱动，对氢储存系统的研究越来越普遍。已证明硼烯具有惊人的储氢能力，部分原因是硼的原子质量较低，以及氢分子与硼片的结合能大于其与石墨烯的结合能。

气体传感器

硼烯的气体吸附特性使它适用于气体传感器用途，适用于包括乙醇（酒精）、一氧化碳、光气（氧氯化碳）和甲醛等不同气体。由于2D材料具有独特的电子结构和较大的表面积-体积比，硼烯在气体传感器的开发方面显示出了巨大的潜力。

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2D材料的开发是当今材料研究中最激动人心的前沿领域之一。

在石墨烯合成十多年后，在计算为导向的硼烯合成方法被视为开发新型2D材料的蓝本。尽管在开发硼烯的过程中仍面临着重大的技术挑战，例如生产工艺的规模化，然而它空前独特的品质使其在柔性电子、电池和传感器技术方面找到新的前景。

硼烯的发现也为下一个2D材料的发现指出了方向。例如位于化学元素周期表中硼下方的铝，理论研究表明，它也能形成具有蜂窝状结构的铝烯（aluminene）。如果这种材料能够在实验室中创建，它的导电性将超过石墨烯和硼烯。

文章来源： 半导体行业观察， 知钢