王琴，薛珉敏，張助華

南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016

1 引言

現(xiàn)代信息技術(shù)正朝微型化、集成化和智能化高速發(fā)展。隨著微電子器件和智能系統(tǒng)的核心元件進(jìn)一步微型化和集成化，發(fā)展新的低維材料和相關(guān)制備方法在納米科技領(lǐng)域越發(fā)受到關(guān)注。以石墨烯為代表的二維材料只有單個(gè)或數(shù)個(gè)原子層厚度且與傳統(tǒng)平面加工工藝兼容，成為制造先進(jìn)微納功能器件的重要選擇。二維材料可將電子的運(yùn)動(dòng)嚴(yán)格局限于二維空間，因而具有宏觀體相材料所不具備的眾多新穎物性和功能，是材料化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。例如，石墨是導(dǎo)體，而石墨烯是零能隙的半導(dǎo)體并具有近似光速的電子運(yùn)動(dòng)速率。一直以來(lái)，設(shè)計(jì)和制備新的二維材料不僅是拓展化學(xué)前沿研究的需要，更是實(shí)現(xiàn)新材料性能的重要途徑之一。國(guó)際上迄今已報(bào)道了成百上千種二維材料。然而，它們中只有極少量是單質(zhì)二維材料，如磷烯、硅烯、砷烯、錫烯1,2。令人驚訝的是，所有單質(zhì)二維材料的結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)不同程度的離面屈曲，與石墨烯的純平面結(jié)構(gòu)有顯著差距。其中的主要原因在于這些元素不具有碳的豐富成鍵能力，后者可形成sp3、sp2和sp等多類(lèi)化學(xué)鍵(圖1a)。這一現(xiàn)象使得人們不禁追問(wèn)：什么元素具有可比擬于碳的強(qiáng)成鍵能力？除碳之外是否還有其它可形成純平面二維材料的元素?

硼即是這樣的元素。硼在元素周期表中是碳的左“鄰居”，位于非金屬的碳和金屬的鈹之間。因此，硼呈現(xiàn)非金屬性的同時(shí)又兼具一定的金屬性，既可以形成常規(guī)的強(qiáng)共價(jià)鍵，又可形成一系列多中心化學(xué)鍵。由于成鍵能力和豐富程度勝于碳，硼具有上百種晶體結(jié)構(gòu)，大部分含有12個(gè)硼原子組成的20面體的結(jié)構(gòu)單元(圖1b)。同時(shí)，硼可與絕大部分元素形成穩(wěn)定的化合物，且是設(shè)計(jì)超硬材料和金屬防腐層的重要選擇3。進(jìn)入納米尺度，硼具有更奇特的行為：在小尺度下傾向以類(lèi)似于苯環(huán)等有機(jī)分子的平面結(jié)構(gòu)存在，尺度稍大后具有富勒烯般的籠狀結(jié)構(gòu)4-6；在特殊條件下甚至還形成納米管7,8和薄膜結(jié)構(gòu)9,10(圖1b)。這些納米結(jié)構(gòu)使得硼與碳在化學(xué)上具有驚人的類(lèi)似性。更重要的是，最近兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)成功在銀基底上合成了純平面的單原子層硼晶體—硼烯11,12，完成了硼納米結(jié)構(gòu)的最后一塊重要拼圖。

圖1 碳化學(xué)與硼化學(xué)的類(lèi)似性Fig. 1 The parallel of chemistry between carbon and boron.(a) Carbon can form sp3, sp2 and sp bonds, thus can form a variety of nanostructures, such as 1D atomic chains, nanotubes and diamond.(b) Because of electronic deficiency, boron can form a vast number of multicenter chemical bonds, forming a typical B12 icosahedron in bulk phases as well as planar, fullerene molecules and nanotube structure at nanoscale.

相比石墨烯，硼烯的特殊之處在于它沒(méi)有對(duì)應(yīng)的三維體塊結(jié)構(gòu)。硼烯是典型的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，其平均每個(gè)硼原子能量可比體塊結(jié)構(gòu)高0.4 eV13。更獨(dú)特之處在于硼烯是由理論先期預(yù)測(cè)，實(shí)驗(yàn)持續(xù)跟進(jìn)最終成功合成的材料。體塊硼均為絕緣體，而制備的硼烯樣品均具有金屬性，導(dǎo)電性高于本征石墨烯。因此，硼烯是目前報(bào)道的質(zhì)量最輕、厚度最薄的金屬，具有廣泛的應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)還觀測(cè)到銀基底上的硼烯在費(fèi)米能級(jí)附近具有狄拉克狀的電子色散14，使得其電子性質(zhì)和潛在應(yīng)用有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的空間。最近的一系列理論研究預(yù)測(cè)硼烯具有聲子調(diào)節(jié)的超導(dǎo)電性以及近紅外波段的等離子激發(fā)性能15。另外，硼烯所含的多中心鍵賦予它豐富的化學(xué)性質(zhì)，化學(xué)活性比石墨烯強(qiáng)。理論研究表明硼烯在力學(xué)上是集堅(jiān)、柔、韌于一體的納米材料16，克服了其它二維材料堅(jiān)有余而韌不足的缺點(diǎn)。這些特性使得硼烯在復(fù)合材料設(shè)計(jì)、柔性電子器件、光控器件等方面具有應(yīng)用前景。然而，目前硼烯合成僅限于昂貴的分子束外延方法。通過(guò)基底上化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)硼烯是推動(dòng)硼烯應(yīng)用的必經(jīng)之路，但依然是材料化學(xué)領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。下面，作者從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面來(lái)介紹國(guó)內(nèi)外硼烯生長(zhǎng)研究的主要進(jìn)展，分析生長(zhǎng)基底、溫度以及前驅(qū)物等對(duì)硼烯成核的影響，并探討用CVD方法制備硼烯的可行性。

2 硼烯生長(zhǎng)的研究進(jìn)展

2.1 硼烯生長(zhǎng)的理論研究進(jìn)展

早期理論提議的硼烯結(jié)構(gòu)包括石墨烯狀的六方蜂窩結(jié)構(gòu)和三角密堆積結(jié)構(gòu)17，但前者由于硼的缺電子性而不穩(wěn)定而后者因電子富余發(fā)生結(jié)構(gòu)屈曲18，見(jiàn)圖2a。于2007年前后，清華大學(xué)倪軍課題組19和耶魯大學(xué)Ismail-Beigi課題組20分別獨(dú)立提出一種基于三角晶格和六邊形孔洞混合并具有D3h對(duì)稱(chēng)的二維硼烯結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為α硼烯，其結(jié)構(gòu)可由早期預(yù)測(cè)的B80巴基球平面展開(kāi)得到21(圖2a)。α硼烯比三角密堆積結(jié)構(gòu)明顯更穩(wěn)定，是石墨烯的等電子體且具有純平面的原子結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性起源于α硼烯內(nèi)部的自摻雜現(xiàn)象：富余電子的三角晶格和缺電子的六邊形孔洞之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，優(yōu)化了系統(tǒng)價(jià)鍵軌道的電子填充20。隨后萊斯大學(xué)Yakobson課題組基于團(tuán)簇展開(kāi)方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)搜索，發(fā)現(xiàn)在靠近基態(tài)線很小能量范圍內(nèi)存在大量具有不同六邊形孔洞濃度和分布的硼烯結(jié)構(gòu)22。因此，硼烯具有罕見(jiàn)的多態(tài)性。后續(xù)更多的理論研究基于不同結(jié)構(gòu)搜索方法陸續(xù)發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象23-25。特定的六邊形孔洞分布還可導(dǎo)致硼烯具有半導(dǎo)體性26。單原子層的硼烯還可作為結(jié)構(gòu)單元組成更穩(wěn)定的具有一定厚度的二維硼結(jié)構(gòu)27,28。然而，硼烯結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)性和多態(tài)性給其化學(xué)合成帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

圖2 二維硼烯的理論研究與實(shí)驗(yàn)合成Fig. 2 Theoretical and experimental synthesis of two-dimensional borophene.(a) Historical evolution of theoretical models of borophene, from the initial triangular structure to the combined structure of triangular lattice and hollow hexagons, to the polymorphism of borophene, and then to the energetically preferred borophene on substrates. (b) High resolution scanning electron microscope (SEM) image of stripe borophene (S1)synthesized by molecular beam epitaxy, compared to simulated SEM image using the v1/6 model on Ag substrate. (c) SEM image of homogeneous phase borophene (S2), compared to simulated SEM image based on the v1/5 model.(b) is adopted from American Association for the Advancement of Science publisher and (c) is adopted from Springer Nature publisher 11,12.

針對(duì)這一難題，理論研究者分析了涉及硼烯合成的幾個(gè)基本問(wèn)題。首要問(wèn)題是如何能夠誘導(dǎo)硼原子組裝成亞穩(wěn)二維結(jié)構(gòu)。盡管三維硼比硼烯更穩(wěn)定，但控制材料形成的成核能壘大小依賴(lài)于具體的生長(zhǎng)環(huán)境。2013年，Yakobson課題組基于第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)硼在金屬基底上可優(yōu)先向二維結(jié)構(gòu)成核，從而形成二維硼烯結(jié)構(gòu)，并建議使用Ag等金屬基底來(lái)輔助硼烯的合成29。大連理工大學(xué)趙紀(jì)軍課題組研究了Cu基底上硼團(tuán)簇的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和相互作用機(jī)制，發(fā)現(xiàn)硼在成核過(guò)程中很容易形成六邊形孔洞，進(jìn)一步支持了采用金屬基底輔助硼烯合成的可行性30。然而，金屬基底會(huì)與硼發(fā)生相互作用，改變硼烯的基態(tài)結(jié)構(gòu)。2015年，作者基于團(tuán)簇展開(kāi)方法，將其擴(kuò)展至能夠?qū)饘倩咨系呐鹣┻M(jìn)行基于第一性原理的大規(guī)模結(jié)構(gòu)搜索，發(fā)現(xiàn)硼烯的最優(yōu)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)依賴(lài)金屬基底，截然不同于其它二維材料31。特別發(fā)現(xiàn)銅、銀基底上的最優(yōu)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)為孔洞成串平行排列且濃度為1/6的結(jié)構(gòu)(圖2a)，記為v1/6結(jié)構(gòu)。值得強(qiáng)調(diào)的是，我們?cè)阢y基底上預(yù)測(cè)的該能量最優(yōu)結(jié)構(gòu)被后續(xù)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)11,12。

2.2 硼烯生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

2.2.1 化學(xué)氣相沉積

在理論研究的同時(shí)，大量早期實(shí)驗(yàn)跟進(jìn)并嘗試了多種方法制備硼納米結(jié)構(gòu)，包括激光燒蝕、磁控濺射、乙硼烷熱解等非催化方法和金屬合金作為催化劑的CVD方法。合成主要產(chǎn)物有硼納米線32-34，納米帶35-37和晶須38等，但均為無(wú)定形或體塊硼結(jié)構(gòu)。2015年，南京航空航天大學(xué)臺(tái)國(guó)安課題組首次基于CVD方法在銅基底上合成了二維硼薄膜。他們將硼和硼氧化物粉末的混合物加熱，在～1400 K下形成二氧二硼化物蒸氣，然后在～1300 K下沉積在Cu箔上生長(zhǎng)出二維硼薄膜9。然而，該實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有得到單原子層的硼烯。

2.2.2 分子束外延

在理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)的不懈努力下，最近的兩個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)分別在銀基底上成功合成了硼烯單層。中國(guó)科學(xué)院物理所吳克輝課題組12和美國(guó)西北大學(xué)與阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合課題組11分別在超高真空條件下，在干凈的Ag(111)表面上通過(guò)沉積電子蒸發(fā)的高純度硼源成功制備出硼烯，并觀察到兩種各向異性的硼烯結(jié)構(gòu)：一種為矩形晶格并帶條紋特征(圖2b)而另一種具有菱形晶格(圖2c)。Mannix等發(fā)現(xiàn)菱形相傾向于在較低溫度(720-870 K)下出現(xiàn)，而條紋特征相在較高溫度(770-970 K)下形成。當(dāng)生長(zhǎng)速率較低時(shí)，條紋相還呈現(xiàn)納米帶的形狀。相反，吳克輝課題組合成的硼烯在較低溫度(～570 K)下呈條紋相(圖2b)，而在較高溫度下(＞ 680 K)呈菱形相(圖2b)。他們隨后在Ag(110)表面上合成了～10 nm寬的硼納米帶39，其結(jié)構(gòu)與Ag(111)上的結(jié)構(gòu)相似。理論模擬表明條紋相與作者預(yù)測(cè)的v1/6模型一致，而菱形相與v1/5模型吻合(圖2b，c)?；趻呙桦婄R圖像的模擬與對(duì)比，Mannix等還提出了三角密堆積模型作為條紋相的候選模型11，但該模型在能量、晶格常數(shù)以及力學(xué)順從性等方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差距。作者通過(guò)理論結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)條紋相可受溫度激發(fā)形成更穩(wěn)定的波浪形結(jié)構(gòu)，并伴隨銀表面的重構(gòu)40，說(shuō)明硼烯結(jié)構(gòu)易彎曲，進(jìn)一步佐證了v1/6模型的合理性。這些實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展充分說(shuō)明生長(zhǎng)溫度、原料和基底是制備硼烯的關(guān)鍵參數(shù)。

值得注意的是，條紋特征相在較低覆蓋率下呈現(xiàn)為不同寬度的長(zhǎng)六邊形，不同于石墨烯、氮化硼等的生長(zhǎng)形狀。硼原子是如何在基底上組裝成這類(lèi)形狀將是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。這將為進(jìn)一步控制硼烯的形狀提供指導(dǎo)。

由于基底與硼之間發(fā)生顯著電子轉(zhuǎn)移，硼烯在銀基底上具有相比孤立結(jié)構(gòu)更高的孔洞密度41。極限情況下，如果來(lái)自基底的電荷轉(zhuǎn)移足夠大時(shí)，硼烯的孔洞密度可達(dá)到它的最大值1/3，即變成圖2a中的石墨烯狀的蜂窩結(jié)構(gòu)。最近，吳克輝課題組利用分子束外延技術(shù)在Al(111)表面上成功制備了這種蜂窩狀結(jié)構(gòu)的硼烯42。這一進(jìn)展進(jìn)一步說(shuō)明，通過(guò)改變基底可以有效調(diào)控硼烯的晶格結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)特殊的性質(zhì)。

2.3 CVD合成硼烯的影響因素

二維晶體的生長(zhǎng)可分為成核和邊緣生長(zhǎng)兩個(gè)階段。在成核階段，能量的熱力學(xué)平衡決定原子組裝成二維還是三維結(jié)構(gòu)。如果形成二維結(jié)構(gòu)，其進(jìn)一步的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和形狀主要受邊緣能量和周?chē)戏e累速率控制。這兩個(gè)階段涉及不同的生長(zhǎng)原理和條件。成核階段首先要選擇合適的基底，必須平衡兩個(gè)相反的要求：(i) 基底沉積吸引力應(yīng)該足夠強(qiáng)，以支持二維成核模式；(ii) 與基底的耦合應(yīng)該足夠弱，以方便后續(xù)二維材料的轉(zhuǎn)移。這是一個(gè)能量?jī)?yōu)化問(wèn)題，類(lèi)似于化學(xué)催化Sabatier原理43。其次是成核選擇性，涉及小尺度團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)演化。雖然體塊硼比硼烯穩(wěn)定，但在小尺度下表面能貢獻(xiàn)很大，二維結(jié)構(gòu)可變得更穩(wěn)定。在成核過(guò)程中，基底與二維核的所有原子發(fā)生作用，而只與三維核中的部分原子接觸12,44(圖3b，c)。因此，基底可以進(jìn)一步選擇性地穩(wěn)定二維結(jié)構(gòu)，使得其成核勢(shì)壘低于三維結(jié)構(gòu)(圖3a)。這些理論分析已為分子束外延成功合成硼烯提供了參考，但圍繞CVD生長(zhǎng)硼烯，很多關(guān)鍵因素還需要深入分析。

圖3 硼烯成核選擇性Fig. 3 The nucleation selectivity of borophene.(a) Schematic diagram of the free energy of boron growth on a substrate along two- and three-dimensional routes. The range of temperature corresponding to the energy range of yellow shaded area should benefit boron nucleation along the 2D route. (b) A schematic diagram of nucleation and growth of 3D boron along a step of metal substrate. (c) The same as(b) but for 2D boron. (a) is adopted from Springer Nature publisher 44.

通過(guò)圖3a可發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)溫度對(duì)最終產(chǎn)物產(chǎn)生決定性作用。當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)，硼生長(zhǎng)無(wú)法跨越二維硼的成核能壘，最終很可能得到無(wú)序分布的硼團(tuán)簇或無(wú)定型硼結(jié)構(gòu)，與吳克輝課題組的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致12。相反，過(guò)高的生長(zhǎng)溫度會(huì)克服三維硼的成核能壘，使得成核可沿著三維結(jié)構(gòu)行進(jìn)。因此，生長(zhǎng)溫度需要精細(xì)控制，以期硼生長(zhǎng)的自由能處于二維硼和三維硼成核能壘之間的能量區(qū)域(圖3c，黃色區(qū)域)。這時(shí)，二維結(jié)構(gòu)從能量上已成為硼成核的優(yōu)先選擇。

合成原料中的一些雜質(zhì)元素，如氫、氧等對(duì)硼成核也有重要影響。這些元素的存在可能會(huì)改變成核過(guò)程中二維與三維結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，甚至顛覆上述基底誘導(dǎo)二維硼成核的物理圖像。更重要的是，氫、氧等可鈍化三維硼結(jié)構(gòu)表面的懸掛鍵，降低其表面能，使得二維硼結(jié)構(gòu)的成核幾率大幅減小。從這個(gè)角度看，純硼是CVD生長(zhǎng)硼烯的最佳原料。雜質(zhì)元素對(duì)硼成核的具體影響是對(duì)本領(lǐng)域有重要意義的研究問(wèn)題。

以往對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的研究發(fā)現(xiàn)基底臺(tái)階會(huì)促進(jìn)二維材料的成核(圖3c)。最近的實(shí)驗(yàn)也觀測(cè)到硼烯生長(zhǎng)會(huì)沿著臺(tái)階擴(kuò)展，在生長(zhǎng)初期形成緊貼于臺(tái)階的納米帶結(jié)構(gòu)。因此，理論研究有必要進(jìn)一步考慮臺(tái)階對(duì)硼成核選擇性的影響，尤其是臺(tái)階高度，晶格朝向等參數(shù)與硼成核的依賴(lài)關(guān)系。另外，硼在基底中的滲入對(duì)成核選擇性的影響也不可低估45。硼的滲入決定其是在表面成核還是嵌入亞表面成核。如在亞表面成核，則可能顯著改變二維與三維硼結(jié)構(gòu)成核的競(jìng)爭(zhēng)。

總之，硼烯化學(xué)合成的關(guān)鍵在于如何誘導(dǎo)二維結(jié)構(gòu)優(yōu)先成核。未來(lái)研究需要綜合考慮生長(zhǎng)溫度，前驅(qū)物，基底條件等因素，揭示如何從結(jié)構(gòu)上根本抑制三維硼結(jié)構(gòu)的成核，以使硼烯能夠在更容易企及的條件下可控生長(zhǎng)。這些問(wèn)題迫切需要系統(tǒng)的理論研究來(lái)進(jìn)一步澄清，以便為實(shí)驗(yàn)合成提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

2.4 硼烯生長(zhǎng)形貌

當(dāng)硼選擇以二維結(jié)構(gòu)成核，其后續(xù)生長(zhǎng)由動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)而沿著平面擴(kuò)展；由于動(dòng)力學(xué)原因，二維生長(zhǎng)模式下形成三維結(jié)構(gòu)的可能性很低。此后，邊緣生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)決定硼烯的形貌、尺寸和質(zhì)量。認(rèn)識(shí)邊緣生長(zhǎng)過(guò)程需要采用恰當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)模型和計(jì)算方法。早期研究納米管和石墨烯生長(zhǎng)主要使用定性模型，如氣液固或氣固模型或分子動(dòng)力學(xué)模擬46,47。Yakobson課題組開(kāi)發(fā)的納米反應(yīng)器方法彌合了這種模型與原子模擬之間的差距，有效地將第一性原理計(jì)算得到的豐富數(shù)據(jù)與經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論相結(jié)合：確定每生長(zhǎng)步的可能狀態(tài)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得到邊緣成核、生長(zhǎng)能壘，最后得到生長(zhǎng)速率與晶體方向的函數(shù)關(guān)系48。該方法已成功解釋了實(shí)驗(yàn)觀察到的不同石墨烯形狀。最近，作者將該方法發(fā)展至二元低維材料的生長(zhǎng)，揭示了由化學(xué)勢(shì)控制的六方氮化硼的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)機(jī)制49。然而，石墨烯與氮化硼均為各項(xiàng)同性，而硼烯是各向異性材料。此各項(xiàng)異性在最近的實(shí)驗(yàn)表征中已有佐證：硼烯晶疇的形狀為窄長(zhǎng)的六邊形，其中兩平行邊緣顯著長(zhǎng)于其余四條邊緣。因此，開(kāi)展硼烯形狀的研究需要進(jìn)一步將納米反應(yīng)器方法發(fā)展到各項(xiàng)異性情況。

當(dāng)硼烯長(zhǎng)到一定尺寸時(shí)，邊緣生長(zhǎng)需要更多的原子供料，使得硼烯晶疇周?chē)┝铣霈F(xiàn)短缺。相應(yīng)生長(zhǎng)機(jī)制由周邊供料積累速率控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛汕膀?qū)體在基底上的擴(kuò)散速率控制。這時(shí)，生長(zhǎng)形狀的研究需借助于唯象方法，如相場(chǎng)理論。

綜上所述，開(kāi)發(fā)合適的生長(zhǎng)條件有望實(shí)現(xiàn)在金屬基底上CVD生長(zhǎng)硼烯。高純的硼源、恰當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)溫度、和超平整的基底對(duì)硼烯的生長(zhǎng)至關(guān)重要。如果能夠通過(guò)一定量的化學(xué)摻雜使得硼的二維成核變得更為有利，硼烯合成則更具可行性。為此，理論研究必須持續(xù)跟進(jìn)并發(fā)揮引領(lǐng)作用。

3 結(jié)論

本文綜述了硼烯研究的理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，特別對(duì)硼烯的化學(xué)合成前景進(jìn)行了分析。不同于其它二維材料，硼烯的研究是由先期理論探索主導(dǎo)：從認(rèn)識(shí)起初的平面分子，到設(shè)計(jì)出純平面的二維結(jié)構(gòu)，再到考慮基底對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感調(diào)控以及對(duì)化學(xué)合成的重要作用。經(jīng)過(guò)十多年持之以恒的理論研究，最近兩個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)成功在銀基底上合成了單原子層的硼烯，在國(guó)際學(xué)術(shù)界掀起了硼烯的研究熱潮。尤為可貴的是，實(shí)驗(yàn)所表征的銀基底上硼烯的結(jié)構(gòu)與先期理論所預(yù)測(cè)的結(jié)構(gòu)一致。這一情況特別強(qiáng)調(diào)了理論研究在硼烯實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的引領(lǐng)性作用，彰顯了理論研究在設(shè)計(jì)和創(chuàng)造新材料過(guò)程中的重要角色。

進(jìn)一步推進(jìn)硼烯的應(yīng)用不可避免需要實(shí)現(xiàn)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)大面積、高質(zhì)量的硼烯，但依舊是該領(lǐng)域的一大挑戰(zhàn)。本文針對(duì)該挑戰(zhàn)，從理論的角度定性分析了基底、生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)前驅(qū)物等因素對(duì)硼烯成核的影響，并探討了抑制三維硼烯成核的方法。本文隨之進(jìn)一步分析了硼烯在成核后的邊緣生長(zhǎng)機(jī)制和理論研究方法，并展望了在特定基底上化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)合成硼烯的可能性。作者期待通過(guò)本文能夠激發(fā)更多的理論與實(shí)驗(yàn)研究者參與硼烯的研究，最終助力實(shí)現(xiàn)大面積、高質(zhì)量硼烯樣品的制備。