硼元素是在元素周期表中的III 族元素，也是碳元素的近邻元素，促使人们寻找硼的二维晶体——硼烯(borophene)。三价硼原子的外层电子结构为2s22p1，相比碳原子中典型的sp2或sp3杂化，由于缺少电子，硼原子之间有着复杂的成键机制。理论研究表明，两中心和三中心的B—B 键可以形成，使得块状硼有多达16种同素异形体。
通过理论计算指出，可能存在准平面结构的硼原子簇，提出了B7(含7 个硼原子的硼原子簇)构建褶皱的二维硼原子层(图1(a))和硼纳米管。相比于褶皱三角网格构建的二维硼原子层，根据理论计算结果预言六方孔和三角网格混合的片状(sheet)二维硼原子层构型(图1(b)，这种构型具有更大的结合能。在片状二维硼原子层构型的基础上，Wu 等人进一步通过理论计算提出了多种形式的二维硼原子层。
类似于碳元素可形成多种纳米结构， 对于硼元素，实验上已经合成硼纳米线、硼纳米带、单壁硼纳米管、多壁硼纳米管、B40富勒烯等。类似于硅和锗，硼的块体也不是层状结构，所以不能通过机械剥离方法得到二维硼原子层。实验中人们通过化学气相沉积、分子束外延生长方法来获得二维硼原子层。利用乙硼烷在0.5 Pa，950 ℃条件下得到10 nm 厚的单晶硼纳米薄片。这种薄片展现了较好的场发射性能和热稳定性。研究硼原子在B(111)上的表面重构时发现，准平面的二维硼原子层可能存在。但考虑到二维硼原子层和衬底间强的相互作用，很难将其从块状硼衬底剥离下来。通过第一性原理计算指出在金属衬底上合成二维硼原子层的可能性，提出Au(111)和Ag(111)表面是比较好的衬底。
最近，在超高真空条件下，利用纯度为99.9999%的硼在Ag(111)衬底上外延生长出单原子层厚的硼烯(图1(c)，获得了两种硼烯相，分别称为条纹相(striped phase)(图1(d)和均匀相(homogeneous phase)。他们根据计算的能带结构提出，孤立的硼烯沿着条纹的方向表现出金属性质，而沿着平面外褶皱方向具有带隙。因而，硼烯是一个高度各向异性的二维材料，沿着条纹的方向导电。他们还提出褶皱的硼烯结构具有各向异性的力学性能，由于硼原子间强的相互作用使得平面外褶皱方向的杨氏模量达到398 GPa·nm，高于石墨烯的杨氏模量340 Gpa·nm。硼烯表现为各项异性金属性质及高的机械强度，作为二维材料家族的补充，将在相关应用中发挥其独特的作用。
在同一时期，也在超高真空条件下，利用纯度为99.9999%的硼在Ag(111) 衬底上外延生长出单原子层厚的硼烯。实验中观测到两种硼烯相，称为S1 和S2，对应于理论预言的片状二维硼原子层中的构型。实验结果还表明，当硼覆盖度接近一层时，三维的硼原子簇开始形成，表明硼—银相互作用在单层硼烯生长过程中起着重要的作用。
最近的理论计算结果表明，二维硼原子层可以作为锂离子电池的阳极材料；通过金属阴离子修饰，二维硼原子层有望成为储氢材料；吸附锂原子的二维硼原子层有望成为电子器件中的电极材料。目前关于硼烯的很多工作还是基于理论计算的，需要从实验上检验这些想法的可行性。
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以上源于齐岳生物
zl 04.19
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