近日，吉林大学物理学院物质模拟方法与软件教育部重点实验室王彦超教授团队在半导体硼烯的结构设计与可控合成方面取得重要进展，相关成果以 “Semiconducting Borophene Realized via Hydrogenation-Driven Structural Reconstruction” 为题发表于《Angewandte Chemie International Edition》。
二维硼烯（borophene）由于其独特的缺电子多中心成键特征、高度各向异性的晶格结构以及可调控的电子与力学性质，在纳米电子器件、柔性电子、能源存储与催化等多个前沿方向展现出重要的潜在应用价值。然而，与石墨烯等典型二维材料不同，硼烯在自然界中不存在可剥离的层状母体结构，其制备通常依赖于在超高真空条件下于金属衬底表面的外延生长。另一方面，迄今报道的多种金属衬底支撑的硼烯相普遍呈现金属性，且在环境条件下稳定性较差，这在很大程度上制约了硼烯在纳米光电子与半导体器件中的实际应用。
针对上述问题，王彦超教授团队通过系统的高通量第一性原理计算，全面考察了α′-硼烯在不同氢覆盖度下的结构稳定性与电子性质，发现半氢化构型是实现硼烯半导体化的最优候选。研究发现，氢化过程诱导α′–硼烯发生显著的结构重构，导致结构褶皱，显著增强了面内与面外 p 轨道之间的杂化，从而在原本呈金属性的 α′–硼烯中打开能隙，实现稳定的本征半导体行为。在理论预测的指导下，研究团队采用化学气相沉积方法成功合成了该新相。随后开展的系统结构表征，结合第一性原理计算模拟，证实了其原子结构与电子结构特征。此外，α′–B8H4在空气及酸碱环境中均表现出良好的稳定性。该工作揭示了化学修饰驱动硼烯结构重构与能带打开之间的内在物理机制，为实现硼烯电子结构的可控调控提供了新的思路，也为硼烯在新一代低维电子器件、光电器件及功能集成中的应用奠定了重要基础。
图1：理论与实验相结合确定α′–B8H4的晶体结构和电子性质
论文通讯作者为吉林大学王彦超教授、南京航空航天大学台国安教授，论文第一作者为物质模拟方法与软件教育部重点实验室2015级博士生徐美玲、共一第一作者为太原理工大学武子桐博士以及江苏师范大学硕士生陈静妍。该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、高压与超硬材料全国重点实验室开放课题等项目的资助支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/ange.202516206
