硼烯（borophene），二维材料新成员

以石墨烯为代表的二维（2D）材料已经在全球范围内闻名遐迩。由于具有优异的导电性和机械性能，2D材料被迅速用于制备更小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）以及过渡金属硫化物（如MoS₂）等。（相关阅读：‍‍石墨烯，以及那些比石墨烯更牛的各种“烯”‍‍；‍‍磷烯（Phosphorene）的九种新构型‍‍；‍‍石墨烯的“表妹”问世——中国科学家制备锡烯‍‍）

硼是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。由于只有三个价电子，硼必须通过形成框架结构来补偿缺失电子，以便更好的共享电子。结果就是硼至少有16种结构不同的3D多晶形。研究人员已经制备出几种平面硼簇，但纯硼的平面网格结构至今仍然难以制备。

最近，由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烧蚀固体硼，在银的表面上成功制备出了只有一个原子厚度的硼材料：硼烯（borophene）。（Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs. Science, 2015, DOI:10.1126/science.aad1080）。

上图中，硼烯中的硼原子呈蜂窝状排列，由接近平面的B₇簇组成，每个六边形的顶部还有一个额外的硼原子。这种硼烯是一种类金属的导体，而已知的硼多晶形在常压下都是半导体。

扫描隧道显微镜下的硼烯。图片来源：Andrew Mannix

此外，以南京航空航天大学台国安教授为首的研究团队最近也在铜箔基底上成功制备出了二维硼单层材料。（Synthesis of Atomically Thin Boron Films on Copper Foils. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201509285）。

图片来源：南京航空航天大学

该单层为一斜方晶系的γ相硼，它是由正二十面体B₁₂单元和哑铃状B₂单元互联构成的二维单层。虽然材料本身并不是严格意义上的如同硼烯的单原子层，但也是一种很有前途的2D材料。

两种材料结构对比示意图，Science（上），ACIE（下）。图片来源：C&EN

“硼烯的研究才刚刚开始，”美国西北大学材料专家Mark Hersam说。“把硼烯制备出来这非常棒，还有很多与之有关的工作可做。”Hersam也是上述《Science》论文的作者之一。

“我很高兴看到这样的结果，”得克萨斯大学奥斯汀分校的纳米材料专家Deji Akinwande说道。“它与其它2D材料有很大的不同，因为其它2D材料几乎都是半导体。”

硼烯的发现也为下一个2D材料的发现指出了方向。比如位于化学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，Akinwande说，它的导电性将超过石墨烯和硼烯。

1. http://www.sciencemag.org/content/350/6267/1513

2. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201509285/abstract

3. http://www.nature.com/news/atom-thin-borophene-joins-2d-materials-club-1.19060

4. http://cen.acs.org/articles/93/i49/Research-Teams-Make-First-2.html