研究背景
石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結構，是目前已知的最薄、最堅硬的納米材料。繼石墨烯之後，科學家希望找到更多具有優良特性的二維材料。元素硼因是碳的“近鄰”而成為首要目標。然而，被稱為石墨烯“兄弟”的硼烯並非自然存在，只能人工合成。科學家對硼烯的理論結構預測已逾10年之久，但從未成功合成。即便有個別的薄膜等樣品，其結構也是異常複雜。因此，硼烯的製備成為國際凝聚態物理及材料物理界公認的世界難題。
研究歷程
2014年，南開大學物理學院周向鋒教授、王慧田教授和紐約州立大學石溪分校奧甘諾夫教授等基於進化算法結合第一性原理計算，預測了一個獨特的二維硼結構。該研究進一步激發了實驗學家挑戰合成硼烯的興趣。2015年12月，美國阿貢國家實驗室、中國南開大學、美國紐約州立大學石溪分校和美國西北大學等研究單位合作，利用高真空原子濺射的方法，首次在銀的表面成功生長出褶皺的單原子層硼烯。聯合團隊獲得的實驗結果與理論模型幾乎完全符合。南開大學團隊承擔了該研究的理論計算工作。
材料特性
硼烯因其優越的電學、力學、熱學屬性，被科學界寄予厚望，或將成為繼石墨烯之後又一種“神奇納米材料”。
硼烯具有非常豐富的晶體結構和電子性質，理論預測可以存在的硼單層膜結構有很多，目前為止只發現其中的兩種。通過製備出更多種類的硼烯，有希望從中發現一些具有奇異電子性質的結構，例如理論預測中具有狄拉克錐的能帶結構或者具有超導特性的硼烯等。體相的硼單質是非金屬性的，而理論計算中單原子層的硼烯薄膜卻都是金屬性的。日本東京大學馮寶傑等人利用角分辨光電子能譜研究了這種硼烯薄膜，觀察到了費米面處的電子pocket和空穴pocket結構，進一步驗證了其金屬特性。
硼烯材料具有優越的各向異性的電導性質和罕見的“負泊松比”現象。所謂“各向異性電導”是指由於硼烯的原子排列結構使得其表面呈現出“褶皺”，而這樣的結構決定了硼烯導電屬性具有方向性。而水平拉伸導致垂直方向膨脹的“負泊松比”現象也令硼烯的套用更加多樣化。
硼烯還有可能成為超導體。美國Rice大學Boris Yakobson等人通過理論計算發現，在金屬襯底上製備出的幾種穩定的單層硼烯結構有可能具有以聲子為媒介的超導特性，其超導轉變溫度預計在10-20 K之間。清華大學倪軍教授研究組也通過計算預言了帶翹曲結構的雙層硼烯薄膜有超導的可能性，其中8-C2/m-II結構的硼烯的超導轉變溫度可以達到27.6K。2017年，日本東京大學Matsuda研究組用高分辨電子能量損失譜(ARPES)測量，意外發現β相硼烯中存在有Dirac 費米子。研究結果表明，β相硼烯中有一些硼原子對費米面附近電子態貢獻很小，而有貢獻的原子晶格類似於蜂窩狀結構，因此可以存在Dirac電子態。這個發現意味著硼烯中可能存在更有意思的量子效應和令人期待的套用前景。
產品套用
硼烯的化學性質相對穩定，有可能在大氣環境下存在，有助於克服矽烯、磷烯等易被氧化不穩定的缺點，在納米器件方面具有潛在的套用價值。硼烯較短的鍵長也會使其具有較好的機械性能。對於硼烯的研究才剛剛開始，隨著對其研究的逐漸深入，硼烯所具有的神奇原子結構和奇特物理性質將進一步被人們所了解，為將來硼烯的套用提供可能。
