在2021 年 10 月發(fā)表在美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)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(xiàng)研究背后的團(tuán)隊(duì)來(lái)自中國(guó)青島山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院——該機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)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(kāi)辟了可能性。
據(jù)《科學(xué)》報(bào)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(kāi)辟了一個(gè)新時(shí)代。然而我們必須承認(rèn)，第一個(gè)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(huì)產(chǎn)生局部功函數(shù)（ local work function）較低的氫化硼烯（hydrogenated borophene），在正常空氣中可穩(wěn)定數(shù)天，并且只需通過(guò)熱驅(qū)除銀基板上的碳即可回收。
這些進(jìn)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(lái)探索其特性和應(yīng)用。如果沒(méi)有穩(wěn)定的氫化硼烯，就不可能對(duì)半導(dǎo)體中的硼烯進(jìn)行最新的研究。
這些對(duì)硼烯進(jìn)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(jì)算方法來(lái)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(lái)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(jí)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(jí)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(jì)算機(jī)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(jiǎn)單且易于理解。只有兩種粒子類(lèi)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(gè)非常困難的計(jì)算挑戰(zhàn)。
這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)需要解決的問(wèn)題非常龐大，就輸入它的計(jì)算數(shù)量而言。開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確有效的理論和計(jì)算技術(shù)來(lái)處理每個(gè)粒子及其在物質(zhì)中的相互作用對(duì)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(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET）。FET 使用電場(chǎng)來(lái)控制半導(dǎo)體器件中的電流流動(dòng)。它們具有三個(gè)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(shí)沒(méi)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(kāi)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(duì)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(píng)估，這對(duì)二維和納米級(jí)半導(dǎo)體制造很重要。
該團(tuán)隊(duì)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(duì)長(zhǎng)距離的穩(wěn)定流動(dòng)。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(mǎn)足國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 （ITRS） 對(duì)高性能納米級(jí)器件的要求。
ITRS 每年由來(lái)自歐洲、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣和美國(guó)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(guó)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(jí)電子產(chǎn)品設(shè)定了未來(lái)，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(lái)幾十年將如何發(fā)展。
基于B 8 H 4的 FET 是用于未來(lái)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(zhǎng)度下運(yùn)行良好，在導(dǎo)通電流、延遲時(shí)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(jìn)一步縮小到僅 3 nm 的柵極長(zhǎng)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(lái)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(jī)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(qiáng)大的儲(chǔ)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(guò)渡金屬硫化物（如MoS2）等。
硼是2D材料俱樂(lè)部的后來(lái)者，部分原因是因?yàn)榕鸨举|(zhì)上是一種3D元素，很難得到平面結(jié)構(gòu)。由于只有三個(gè)價(jià)電子，硼必須通過(guò)形成框架結(jié)構(gòu)來(lái)補(bǔ)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Nathan P. Guisinger帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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(gè)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(gè)六邊形的頂部還有一個(gè)額外的硼原子。這種硼烯是一種類(lèi)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(lái)源：Andrew Mannix
此外，以南京航空航天大學(xué)臺(tái)國(guó)安教授為首的研究團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)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(duì)比示意圖，Science（上），ACIE（下）。
“硼烯的研究才剛剛開(kāi)始，”美國(guó)西北大學(xué)材料專(zhuān)家Mark Hersam說(shuō)。“把硼烯制備出來(lái)這非常棒，還有很多與之有關(guān)的工作可做。”Hersam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(zhuān)家Deji Akinwande說(shuō)道。“它與其它2D材料有很大的不同，因?yàn)槠渌?D材料幾乎都是半導(dǎo)體。”
硼烯的發(fā)現(xiàn)也為下一個(gè)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(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)建，Akinwande說(shuō)，它的導(dǎo)電性將超過(guò)石墨烯和硼烯。
