硼原子

石墨烯是一種極為強韌的導體材料，由單層石墨原子組成。它的發現引起了世人對其它二維材料的興趣。在過去十年之內，科學家發現了數百種這樣的材料。這些材料對電子、熱量管理、過濾、醫學等領域產生了顯著的影響。

如今，硼原子也將大顯神威，用於製造一種名為硼墨烯的平面材料。

硼是科學家考慮用來研發二維材料的眾多原料之一。硼原子算是一種很有趣的“建造材料”，原因有下述幾種。其一，它是一種半金屬，既有著部分金屬特性，又有一些非金屬特性。作為一種二維材料，這意味著它可能會表現出一些獨特的性狀。

此外，硼有著特殊的成鍵能力。它的p軌道上有三個價原子，因此它最多可以形成三個化學鍵。硼原子可以形成堅固的共價鍵，即兩個原子共用兩個外層電子；或形成穩定的缺電子鍵，即三個原子共用兩個原子。因此，硼可以形成有著不同三維結構的材料。

然而，絕大多數有關製造硼的二維材料的研究目前仍只停留在理論階段。由於它的前體成本較高、且具有毒性，很少有人開展與此有關的實驗。不過，在近期一項發表在《科學》期刊上的研究中，科學家們成功繞開了這些前體，造出了二維硼材料。他們將這種原子級薄膜稱為“硼墨烯”。

在這項最新研究中，科學家使用物理氣相沉積技術製造出了硼薄膜。使用這種方法時，硼在超高級真空下被氣化。氣化后的粒子在真空中轉移到目標平面上(這項研究中採用的是銀)，並沉積成一層薄膜。研究人員能夠獲得一系列不同的平面硼結構，取決於硼粒子的移動方向和沉積條件。

對這些硼墨烯薄膜的分析顯示，有些薄膜和“硼墨烯”分子結構模型具有一定的相似之處，都是由36個硼原子形成三個相互聯結的准平面環，中間留下一個六邊形的空洞。不過，這些新型薄膜並非由單個分子構成，而是由若干層這樣的環狀結構組成，顯示出面外彎曲振動特徵。這些片段會自行形成一個六邊形結構，中間環繞著一個硼原子，就好像一隻蜜蜂坐在蜂巢正中間一樣。此外，科學家還觀察到了其它結構，如一種絲帶狀的材料等。

對這些薄膜的電子特性分析顯示，它們具有類似金屬的性質，但它們的電子特性取決於電流流動的方向。換句話說，電子穿過硼墨烯的方向不同，移動的方式也不同。這一特性的專業名稱叫做，“電子特性的各向異性”。

這種二維硼墨烯薄膜的確是十分有趣的。它填補了完全由共價鍵形成的二維材料(如石墨烯)和只有當放置在特定支撐結構上才能保持穩定的半金屬薄膜(如硅酮)之間的空白。

硼墨烯比硅酮更穩定，因為它存在著堅固的共價鍵。此外，硼墨烯具有與石墨烯相似的機械性能。在本文討論的例子中，硼墨烯在垂直方向上的機械性能是不同的。石墨烯的楊氏模量為340 GPa-nm，而硼墨烯在水平方向上的楊氏模量比石墨烯更高(398 GPa-nm)，在垂直方向上的楊氏模量則比石墨烯要低(170 GPa-nm)。此外，硼墨烯也具有相當可觀的硬度。

其它二維材料都沒有該新型硼墨烯薄膜所擁有的特性，即與金屬、半金屬和非金屬三大領域都有所交集。因此，單層和多層硼墨烯可以說為納米級電子設備和微型機械設備的研發鋪平了道路。不過，未來該材料能否應用於商業中，還要取決於科學家是否能統一其製造工藝，而不是像現在這樣，生產出各種性質不同的版本。