《ACS Applied Materials & Interfaces》：Thirty Years of Borophene: Origins, Scientific Progress, and Future Directions
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这篇综述系统回顾了硼烯这一新兴二维材料三十年的发展历程，从理论预测到实验合成，再到应用探索。文章通过文献计量学分析揭示了该领域的快速增长趋势，重点阐述了硼烯独特的结构多态性（如β12和χ3相）、各向异性的物理性质（如金属导电性、机械强度）及其在能源存储（如锂硫电池、超级电容器）、柔性电子和催化等领域的巨大潜力。同时，综述也指出了当前面临的关键挑战，包括环境稳定性差、可控制备困难以及大规模集成应用等瓶颈问题，并为未来研究指明了方向。
引言
硼，作为元素周期表中的第5号轻质元素，因其电子缺位特性以及形成多样化化学键的能力而拥有独特的物理化学性质。与碳元素倾向于形成如金刚石和石墨等稳定三维结构不同，硼元素以形成复杂的团簇和网络结构著称，这导致了其丰富的结构多样性。近年来，自石墨烯开始，二维材料的发现彻底改变了材料科学领域，展示了原子级薄层材料在电子、机械和化学等方面的非凡潜力。鉴于硼元素悠久的团簇化学研究历史，二维材料的兴起自然引导研究者们探索硼能否形成原子级厚度的薄层，从而为硼烯的概念奠定了理论基础。
硼烯的独特之处
硼烯在二维材料家族中脱颖而出，原因有多方面。首先，硼的电子缺位特性允许其形成多种同素异形体，使其导电性、各向异性和化学反应活性等性质可调。其次，硼烯展现出卓越的机械性能，包括高强度和柔韧性，优于许多其他二维材料。此外，硼丰富的化学特性有利于功能化、插层和杂化，拓展了其在能源存储、催化、传感器和超导等领域的应用潜力。
文献计量学分析揭示的发展轨迹
对硼烯研究领域进行的文献计量学分析清晰勾勒出其过去三十年的发展脉络。分析显示，从1987年到2000年，相关出版物数量很少，处于“诞生”阶段，主要集中在硼团簇的理论预测。2001年至2014年进入“成长”期，出版物数量显著增加，理论与实验验证并行推进，特别是关于平面硼片层稳定性的关键理论预测为后续实验突破铺平了道路。2015年至2024年则标志着“商业化应用探索”阶段的开始，此期间研究成果激增，实现了在银衬底上的实验合成，并深入探索了其各种性质与应用。中国在该领域的研究产出占据主导地位，超过50%，美国、印度、伊朗、德国等国家也是重要贡献者。从研究领域分布看，材料科学、物理与天文学、化学是核心贡献学科。
从理论预测到实验研究
硼烯的研究历程是理论与实验紧密结合的典范。早期研究集中于理解小尺寸硼团簇的结构与稳定性。理论计算表明，这些团簇倾向于形成平面或准平面结构，而非三维结构，这挑战了基于硼二十面体的传统认知。关键突破来自于对硼团簇中多中心键和芳香性的认识，这为理解更大尺寸硼片层的稳定性提供了理论基础。
重要的实验突破发生在2015年左右，研究团队成功在银衬底上合成了原子级厚度的硼烯薄层。这些实验证实了之前理论预测的多种硼烯结构相的存在，例如具有各向异性特征的β12相和χ3相。合成方法主要依赖于分子束外延技术，在超高真空条件下将硼原子沉积到合适的金属衬底上。研究表明，衬底的选择至关重要，它不仅为硼烯生长提供模板，还通过电荷转移等方式稳定特定的硼烯结构。
硼烯的性质与挑战
硼烯最引人注目的特性之一是其结构多态性。通过改变生长条件或使用不同衬底，可以获得具有不同原子排列和孔洞密度的硼烯相。这种多样性直接导致了其物理性质的各向异性，即性质随方向变化。例如，硼烯沿特定方向表现出极高的金属导电性，而沿垂直方向则可能有所不同。其机械强度同样具有方向依赖性。
然而，硼烯的实际应用面临严峻挑战。最主要的障碍是其环境不稳定性。裸露的硼烯在空气中会迅速氧化，这要求其在合成后必须进行封装或功能化处理以提高稳定性。此外，大规模、高质量、相控合成硼烯仍然困难。当前合成方法通常只能获得微米尺度的样品，且成本高昂。克服这些稳定性与可控制备的瓶颈是实现其应用前景的关键。
应用前景展望
尽管存在挑战，硼烯在多个前沿技术领域展现出巨大应用潜力。在电子领域，其高导电性和各向异性使其有望用于开发高速晶体管、柔性透明电极和低功耗器件。在能源领域，硼烯的大比表面积和优异导电性使其成为高性能超级电容器和电池电极材料的候选者，特别是在锂硫电池中可能发挥重要作用。其表面特性也使其在催化反应，如氢析出反应中表现出活性。此外，硼烯在传感器、复合材料以及量子计算等领域也备受关注。
结论与未来方向
硼烯的研究在过去的三十年中取得了显著进展，从一个理论构想发展成为具有独特性能和广阔应用前景的二维材料。未来的研究将集中于解决几个核心问题：开发有效且可扩展的稳定化策略以应对环境敏感性；实现大面积、均匀、相纯硼烯的可控制备；深化对衬底效应和异质结界面性质的理解以设计新型功能器件；以及探索硼烯在能源、电子、生物等领域的实际应用集成。随着合成、表征和理论模拟技术的不断进步，硼烯有望从实验室的好奇心转变为一类变革性的技术材料，为多个行业带来创新。
