在2021 年 10 月發(fā)表在美國化學(xué)學(xué)會期刊《應(yīng)用納米材料》上的一篇論文中，工程師們揭示了一種特殊合成的硼烯（Borophene）的超導(dǎo)特性。據(jù)介紹，這項研究背后的團隊來自中國青島山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院——該機構(gòu)專門研究硼烯、二維硼烯納米材料以及該金屬的新應(yīng)用，包括作為鋰離子電池的負(fù)極材料。

　　最近，他們首次成功合成了氫化硼烯（B 8 H 4），這一發(fā)展為二維硼基半導(dǎo)體開辟了可能性。

　　據(jù)《科學(xué)》報道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）于 2015 年首次在基材上合成。盡管新興領(lǐng)域仍然存在挑戰(zhàn)，但這為硼納米片（ boron nanosheets）開辟了一個新時代。然而我們必須承認(rèn)，第一個合成的硼納米片結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，難以探索其新的物理性質(zhì)。2016 年發(fā)表在《物理化學(xué)化學(xué)物理》上的研究發(fā)現(xiàn)，hydrogenating borophene可以使其穩(wěn)定。

　　2021 年初，研究人員發(fā)現(xiàn)使用原子氫氫化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）會產(chǎn)生局部功函數(shù)（ local work function）較低的氫化硼烯（hydrogenated borophene），在正?？諝庵锌煞€(wěn)定數(shù)天，并且只需通過熱驅(qū)除銀基板上的碳即可回收。

　　這些進步意味著科學(xué)家們現(xiàn)在可以使用穩(wěn)定的氫化硼烯來探索其特性和應(yīng)用。如果沒有穩(wěn)定的氫化硼烯，就不可能對半導(dǎo)體中的硼烯進行最新的研究。

　　這些對硼烯進行凝聚態(tài)理論分析的科學(xué)家們使用“第一性原理”（“first-principles” ）計算方法來確定其性質(zhì)和應(yīng)用。

　　第一性原理方法根據(jù)原子組成粒子（電子和原子核）之間的基本相互作用來描述凝聚態(tài)物質(zhì)。這改變了材料建模的傳統(tǒng)方法：不是在系統(tǒng)級別描述材料，量子（盡可能小的）組件和相互作用構(gòu)成了理解的基礎(chǔ)。

　　原子之間的所有相互作用，例如化學(xué)和分子鍵合，都是由這些粒子級別的基本相互作用決定的。這意味著這些相互作用的準(zhǔn)確計算機模型應(yīng)該揭示由此產(chǎn)生的所有復(fù)雜物理現(xiàn)象。

　　支配這些相互作用的物理學(xué)相當(dāng)簡單且易于理解。只有兩種粒子類型——電子和原子核——它們的行為符合基本量子力學(xué)定律。然而，第一性原理建模仍然是一個非常困難的計算挑戰(zhàn)。

　　這是因為計算機需要解決的問題非常龐大，就輸入它的計算數(shù)量而言。開發(fā)準(zhǔn)確有效的理論和計算技術(shù)來處理每個粒子及其在物質(zhì)中的相互作用對于凝聚態(tài)理論的研究至關(guān)重要。

　　最新研究中的第一性原理分析表明，氫化硼烯適用于納米級場效應(yīng)晶體管 （FET）。FET 使用電場來控制半導(dǎo)體器件中的電流流動。它們具有三個終端：源極、柵極和漏極。

　　由于 FET 具有 100 MΩ 或更高的高柵漏（gate-to-drain）電阻，因此在 control 和flow之間提供了良好的隔離。它們還比雙極結(jié)型晶體管 （BJT） 產(chǎn)生更少的噪聲，并且在零漏極電流時沒有偏移電壓。FET 通常也比 BJT 具有更高的熱穩(wěn)定性。

　　FET 適用于極低功耗的開關(guān)，這意味著由于散熱需求的減少，它們可以有效地小型化。

　　新研究包括對應(yīng)變工程下單層 B 8 H 4的可調(diào)電子特性的詳細(xì)評估，這對二維和納米級半導(dǎo)體制造很重要。

　　該團隊還展示了基于B 8 H 4的 FET 在彈道傳導(dǎo)方面的表現(xiàn)。彈道傳導(dǎo)是攜帶能量的粒子在超導(dǎo)體材料中相對長距離的穩(wěn)定流動。硼基 FET 半導(dǎo)體在該應(yīng)用中顯示出良好的電氣性能。該論文表明，基于原始B 8 H 4的 FET可以滿足國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 （ITRS） 對高性能納米級器件的要求。

　　ITRS 每年由來自歐洲、日本、韓國、臺灣和美國的半導(dǎo)體行業(yè)人士在 1998 年至 2015 年期間制定。此后，它已被國際設(shè)備和系統(tǒng)路線圖 （IRDS） 所取代，該路線圖是在IEEE的贊助下發(fā)起的。

　　路線圖為納米級電子產(chǎn)品設(shè)定了未來，展示了植入物、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)治療在未來幾十年將如何發(fā)展。

　　基于B 8 H 4的 FET 是用于未來小型化電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體材料的良好候選者。這些器件在僅 5 nm 的溝道長度下運行良好，在導(dǎo)通電流、延遲時間和功率延遲乘積方面表現(xiàn)良好。

　　研究人員發(fā)現(xiàn)，在 5% 雙軸壓縮應(yīng)變的情況下，基于B 8 H 4的 FET 可以進一步縮小到僅 3 nm 的柵極長度。

　　總體而言，該論文的作者相信 B 8 H 4適用于小于 5 nm 的 FET 中的應(yīng)用，并且基于硼的半導(dǎo)體在納米技術(shù)的未來中具有廣闊的前景。

　　硼烯（borophene）：二維材料新成員

　　以石墨烯為代表的二維（2D）材料已經(jīng)在全球范圍內(nèi)聞名遐邇。由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和機械性能，2D材料被迅速用于制備更小更快的電子設(shè)備和更強大的儲能設(shè)備。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的2D材料包括石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、磷烯（phosphorene）、錫烯（stanene）以及過渡金屬硫化物（如MoS2）等。

　　硼是2D材料俱樂部的后來者，部分原因是因為硼本質(zhì)上是一種3D元素，很難得到平面結(jié)構(gòu)。由于只有三個價電子，硼必須通過形成框架結(jié)構(gòu)來補償缺失電子，以便更好的共享電子。結(jié)果就是硼至少有16種結(jié)構(gòu)不同的3D多晶形。研究人員已經(jīng)制備出幾種平面硼簇，但純硼的平面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)至今仍然難以制備。

　　在2015年，由紐約州立大學(xué)石溪大學(xué)的Artem R. Oganov、西北大學(xué)的Mark C. Hersam以及阿貢國家實驗室的Nathan P. Guisinger帶領(lǐng)的團隊使用電子束蒸發(fā)器在超高真空度下燒蝕固體硼，在銀的表面上成功制備出了只有一個原子厚度的硼材料：硼烯（borophene）。（Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs. Science, 2015, DOI:10.1126/science.aad1080）。

　　上圖中，硼烯中的硼原子呈蜂窩狀排列，由接近平面的B7簇組成，每個六邊形的頂部還有一個額外的硼原子。這種硼烯是一種類金屬的導(dǎo)體，而已知的硼多晶形在常壓下都是半導(dǎo)體。

　　掃描隧道顯微鏡下的硼烯。圖片來源：Andrew Mannix

　　此外，以南京航空航天大學(xué)臺國安教授為首的研究團隊當(dāng)時也在銅箔基底上成功制備出了二維硼單層材料。（Synthesis of Atomically Thin Boron Films on Copper Foils. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, DOI: 10.1002/anie.201509285）。

　　該單層為一斜方晶系的γ相硼，它是由正二十面體B12單元和啞鈴狀B2單元互聯(lián)構(gòu)成的二維單層。雖然材料本身并不是嚴(yán)格意義上的如同硼烯的單原子層，但也是一種很有前途的2D材料。

　　兩種材料結(jié)構(gòu)對比示意圖，Science（上），ACIE（下）。

　　“硼烯的研究才剛剛開始，”美國西北大學(xué)材料專家Mark Hersam說?！鞍雅鹣┲苽涑鰜磉@非常棒，還有很多與之有關(guān)的工作可做?！盚ersam也是上述《Science》論文的作者之一。

　　“我很高興看到這樣的結(jié)果，”得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的納米材料專家Deji Akinwande說道?！八c其它2D材料有很大的不同，因為其它2D材料幾乎都是半導(dǎo)體?！?/p>

　　硼烯的發(fā)現(xiàn)也為下一個2D材料的發(fā)現(xiàn)指出了方向。比如位于化學(xué)周期表中硼下方的鋁，理論研究表明，它也能形成具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的鋁烯（aluminene）。如果這種材料能夠在實驗室中創(chuàng)建，Akinwande說，它的導(dǎo)電性將超過石墨烯和硼烯。