硼领域的“双重挑战”实现突破

硼领域的“双重挑战”实现突破

燕山大学高压科学中心教授周向锋等人和国内多家单位合作，成功获得一种具有开放骨架结构的新型硼同素异形体 Imma -B 60 （单胞含60个原子）。该材料表现出窄带隙、高电导率和罕见的塑性变形能力，为新型亚稳强共价材料的设计与制备提供了新思路。相关研究成果近日发表于《自然·化学》。

硼含3个价电子，但有4个价轨道，这种价电子数少于价轨道数的现象导致硼元素具有明显的缺电子特性。因此，它很容易和其它元素反应形成硼化物而非硼单质。目前，人类已证明块体硼的同素异形体仅5种。同时，硼的原子序数小，XRD散射信号弱，导致硼结构表征异常困难，这使得硼同素异形体的研究长期滞后。

传统硼单质大多由B 12 二十面体构筑成三维骨架，普遍具有轻质量、高硬度、高熔点等特性，广泛用于国防、半导体领域。但该结构同时也存在导电能力弱、脆性大等问题，限制了硼材料的应用范围。因此，能否跳脱出传统合成手段，在硼单质中同时实现高电导率与良好塑性，一直是硼材料研究领域的重要挑战。

针对该问题，研究团队首先在高温高压下，合成了具有开放硼骨架的钠硼化合物作为前驱体，随后通过真空热处理，脱除其中的钠原子，进而得到一种全新的硼单质。粉末X射线衍射、电子能量损失谱、扫描透射电镜和微晶电子衍射等结构表征证实，钠原子脱除后，原有硼骨架得以完整保留，形成由B 12 二十面体和B 3 三角单元构筑的开放骨架结构。

这种低密度的骨架结构赋予B 60 不同于传统硼单质的独特电学性能，其带隙比传统硼单质低一个数量级，室温电导率比传统硼单质高约6–7个数量级。此外，原位单轴压缩实验表明，B 60 在经历约9%的弹性变形后，还能继续承受23%的塑性应变而不断裂。

主题：硼单质