半导体型单层硼平面

注：文末有研究团队简介 及本文科研思路分析

随着石墨烯的发现和推广，二维材料的结构多样性和优异性能越来越受人关注。半导体特性是光电器件的重要指标，而单层石墨烯是没有带隙的，需要对其改性获得不同带隙的半导体。类似石墨烯，硼存在平面结构（单层硼平面，boron monolayer），对应包含一定浓度和分布的六边形空位的三角晶格，结构和性能呈现出丰富的多样性。值得注意的是，之前理论预言和实验制备的单层硼平面都是金属性的，包括具有超导特性、拓扑特性等。那么单层硼平面是否存在半导体相呢？近日，华南理工大学和南方科技大学的合作研究给出了肯定的回答，通过第一性原理计算预测了一系列具有半导体特性的单层硼平面。

硼体系结构、性能多样性主要来源于其缺电子性（electron deficiency），价电子数目比轨道数目少，需要多中心键来维持体系的稳定性，而多中心键对体系的结构和性质有着决定性作用，也为硼体系的研究带来了挑战。最先在理论上预测的稳定硼单层结构是平面三角晶格包含浓度为1/9的六边形空位，而空位率为1/5、1/6的单层硼平面在银表面上被成功制备，主要原因是来自衬底的电荷转移会改变硼原子之间的成键方式从而影响体系结构稳定性，也说明了硼平面的结构多样性以及可控生长的重要性。在近十年的研究中，理论预测和实验制备的硼平面结构都呈金属性，相关领域的研究人员都认为不存在半导体型的单层硼平面。

华南理工大学计算凝聚态物理研究组发展了基于结构识别的高通量第一性原理计算方法，首次在理论上发现可能稳定并具有半导体特性的单层硼平面。他们考虑了不同大小的超胞和给定超胞下可能的空位分布，对可能的结构进行了充分扫描。研究发现，当六边形空位形成连通图案时，体系有可能出现半导体性质；这些半导体平面可以看成是三角形单元和七边形单元拼接而成，通过调整七边形的形状，可以得到一系列具有不同带隙的半导体硼平面。理论计算表明，半导体硼平面在合适的衬底和实验条件下是稳定的，为二维半导体硼平面设计提供了思路，将推动低维硼材料在半导体纳米器件等相关领域的研究。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是华南理工大学博士研究生许少刚和李晓天。通讯作者是华南理工大学物理与光电学院计算凝聚态物理研究组杨小宝教授和南方科技大学物理系徐虎副教授。计算凝聚态物理研究组（http://www.compphys.cn  ）是华南理工大学物理与光电学院赵宇军教授于2006年底创建，长期致力于晶体缺陷与掺杂、结构搜索、有机/无机界面、吸附与催化等方向。最近，研究组发展了扩展的距离矩阵方法和最小顶点类型序列索引方法，可用于原子分子团簇、晶体等结构的高效率等价性判断，并实现结合第一性原理计算高通量材料设计。

该论文作者为: Shao-Gang Xu, Xiao-Tian Li, Yu-Jun Zhao, Ji-Hai Liao, Wang-Ping Xu, Xiao-Bao Yang*, Hu Xu*

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Two-Dimensional Semiconducting Boron Monolayers

J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 17233–17236, DOI: 10.1021/jacs.7b08680

通讯作者介绍

杨小宝，华南理工大学物理与光电学院教授。2008年于清华大学取得博士学位，2008-2010年于香港城市大学从事博士后研究，2010年7月任职于华南理工大学物理与光电学院，结合高通量第一原理计算和机器学习原理，针对典型合金材料体系提出了结构编码和快速识别的处理方法，在国际期刊J. Am. Chem. Soc.、Phys. Rev.系列等发表SCI论文70余篇（引用1071次），于2014年获得广东省杰出青年基金。

杨小宝

http://www.x-mol.com/university/faculty/49538

研究组主页链接

http://www.compphys.cn/

徐虎，南方科技大学物理系副教授。2010年于中科院物理所获得博士学位，2010-2011年于香港城市大学担任高级研究助理。2011年起任职于南方科技大学物理系。主要研究兴趣为结合第一性原理计算研究表面结构、表面反应，以及理论预言新型功能材料(二维半导体材料、拓扑材料)。目前已经在相关领域发表包括PRL在内的高质量SCI论文50余篇，获得2017年度广东省杰出青年基金。

徐虎

http://www.x-mol.com/university/faculty/49539

研究组主页链接

http://xuhu.phy.sustc.edu.cn/home.html

科研思路分析

Q：开展这项研究的动机？

A：随着实验上单层硼平面的成功制备，单层二维硼材料将引起更多关注。半导体特性是光电材料性能的重要指标，可能稳定的半导体单层硼平面有很好的应用前景。理论研究表明，单层硼平面有很多稳定性相近的可能结构，可以通过控制不同的生长条件进行调控。值得注意的是，之前理论和实验报导的所有单层硼平面都是呈现金属态，是否存在可能稳定的半导体单层硼平面本身就是一个很具挑战性的问题。

Q：开展这项研究的困难在于？

A：由于目前仍没有精度较高的参数模型可以描述硼纳米体系的结构和性质，我们需要第一原理方法来研究，而确定六边形空位的初始分布是关键。我们知道，随着超胞（supercell）内原子数目的增多，可能的结构数目急剧上升。最近，我们研究组发展了距离矩阵等价性判定的方法（J. Chem. Phys., 2017, 147, 144106），可以迅速筛选结构，避免重复计算，减少第一原理方法的计算耗时。

Q：本项研究可能的应用以及带来的影响？

A：在超导、拓扑金属等性质外，我们的研究为单层硼平面的多样性增加了半导体这一属性。杨小宝博士在清华大学倪军教授指导下，曾在理论上预测过可能稳定的单层硼平面（Phys. Rev. B, 2008, 77, 041402），该空位率为1/9的结构在最近的实验中得到证实，同时预测该金属性平面对应的纳米硼管会出现半导体性质。我们希望通过生长条件的控制，可以获得半导体型单层硼平面，将推动其在纳米光电器件中的应用，并有可能使其成为媲美石墨烯的新型材料。