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石墨烯-硼烯共面异质结结构和性质计算研究

原子与分子物理学报 2025年第1期 81-86页

作者：刘会彬刘品妍陈思雨李昕玥张震张孟华东理工大学

采用密度泛函理论系统研究了石墨烯和χ3硼烯构造共面异质结的可行性、结构和性质.通过对体系能量的计算，找到了稳定的石墨烯-χ3硼烯共面二维异质结体系，并对构造方式、电学和光学性质进行了详细地分析与讨论.研究发现异质结体系界... 详细信息

采用密度泛函理论系统研究了石墨烯和χ3硼烯构造共面异质结的可行性、结构和性质.通过对体系能量的计算，找到了稳定的石墨烯-χ3硼烯共面二维异质结体系，并对构造方式、电学和光学性质进行了详细地分析与讨论.研究发现异质结体系界面处以碳六元环和硼五元环头对头相连接.对电荷转移和态密度分析得出石墨烯与硼烯之间形成稳定共价键.该体系具有零带隙和金属性的性质，且可见光波段吸收性能优异，具有潜在应用价值.

关键词：硼烯石墨烯异质结密度泛函理论

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各向异性的硼烯等离激元诱导透明超材料

湘潭大学学报（自然科学版） 2024年第2期46卷 35-43页

作者：孙怡聪林琪李红星湘潭大学物理与光电工程学院湖南湘潭411105

等离激元诱导透明效应源于电磁明、暗模式之间的相消干涉.该文从理论上提出了两种简单且直观的单层硼烯超材料构型,基于时域有限差分方法的数值计算结果显示,其在光通信波段(~1 550 nm)具有显著的各向异性等离激元诱导透明特征.利用不... 详细信息

等离激元诱导透明效应源于电磁明、暗模式之间的相消干涉.该文从理论上提出了两种简单且直观的单层硼烯超材料构型,基于时域有限差分方法的数值计算结果显示,其在光通信波段(~1 550 nm)具有显著的各向异性等离激元诱导透明特征.利用不同晶向电磁明、暗模式的近场耦合,在实现各向异性光学色散特性的同时,兼具了集成度更高的优点.其次,通过调控硼烯的载流子浓度,可以实现对透明窗口频谱位置的主动调控.此外,通过结合谐振子理论和Λ型原子三能级模型,定性描述了这类各向异性等离激元诱导透明超材料中的光学干涉路径,定量刻画了透明窗口随耦合距离的演化过程.研究结果将为设计高性能近红外波段的慢波器件提供科学依据.

关键词：硼烯各向异性等离激元诱导透明时域有限差分方法主动可调谐性谐振子理论

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硼烯的实验制备

物理学报 2022年第10期71卷 363-381页

作者：李文辉陈岚吴克辉中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家研究中心北京100190 中国科学院大学物理科学学院北京100049 松山湖材料实验室东莞523808

硼烯作为目前发现的最轻的二维材料,表现出丰富的物理性质,包括高柔韧性、光学透明性、高热导率、近一维自由电子气、狄拉克费米子、超导电性等.然而,由于体相硼的层间共价键结合力较强,很难剥离出单层硼烯.另外,硼原子的缺电子属性,使... 详细信息

硼烯作为目前发现的最轻的二维材料,表现出丰富的物理性质,包括高柔韧性、光学透明性、高热导率、近一维自由电子气、狄拉克费米子、超导电性等.然而,由于体相硼的层间共价键结合力较强,很难剥离出单层硼烯.另外,硼原子的缺电子属性,使其化学性质比较活泼,成键复杂,导致硼烯有很多同素异形体.长期以来,关于硼烯的研究停留在理论探索方面,硼烯的实验制备一直难以突破,直到最近几年才由少数课题组成功制备,至此关于硼烯的生长、结构以及电子性质研究打开了巨大的探索空间.本文主要从实验方向,系统综述了硼烯在不同衬底上的制备方法以及表现的不同结构相,并讨论了其生长机理.硼烯的制备为进一步扩展硼烯的物理性质提供研究平台,为探索硼烯的纳米器件制备提供思路,使得其在高能量储备、光电子器件、高检测灵敏度、柔性纳米器件等方面具有巨大的潜在应用前景.

关键词：硼烯分子束外延扫描隧道显微镜二维材料

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硼烯:从理论模型到探究应用

化学通报 2022年第7期85卷 884-890页

作者：曹福臣贺天平山西大学科学技术史研究所太原030006

1995年,德国科学家布斯塔尼通过理论计算提出了硼团簇的构造法则——“Aufbau原则”,为硼烯的理论模型研究奠定了基础。在新的理论和计算方法不断提出的背景下,硼烯的理论模型得到了进一步的完善,2014年,美国布朗大学的王来生正式提出... 详细信息

1995年,德国科学家布斯塔尼通过理论计算提出了硼团簇的构造法则——“Aufbau原则”,为硼烯的理论模型研究奠定了基础。在新的理论和计算方法不断提出的背景下,硼烯的理论模型得到了进一步的完善,2014年,美国布朗大学的王来生正式提出“硼烯”这一概念,至此二维硼烯的概念得到了广泛的确信。2015年,研究者首次报道在Ag(111)衬底上生成二维硼烯薄膜。随后,科学家们通过实验探究发现硼烯在超导材料、电池电极材料、催化剂、储氢等领域有巨大的应用前景。硼烯的发展史揭示了理论和实验交互验证的新型科学发展模式,促进了二维材料发展观的演进。

关键词：硼烯理论模型实验制备应用前景

β_(12)-硼烯对NO的可控吸附:第一性原理研究

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分子科学学报 2023年第4期39卷 336-343页

作者：苏圣洋孙昊东北师范大学化学学院吉林长春130024

随着全球汽车保有量的逐年上升,汽车尾气使大气污染日益严重,如何高效清除汽车尾气中的一氧化氮(NO)成为当前亟待解决的课题.石墨烯材料的发现成功引领了制备类石墨烯二维材料的潮流,近几年硼烯材料被成功制备,为吸附NO气体带来了新的契... 详细信息

随着全球汽车保有量的逐年上升,汽车尾气使大气污染日益严重,如何高效清除汽车尾气中的一氧化氮(NO)成为当前亟待解决的课题.石墨烯材料的发现成功引领了制备类石墨烯二维材料的潮流,近几年硼烯材料被成功制备,为吸附NO气体带来了新的契机.本文使用密度泛函理论计算,研究了NO在β_(12)-硼烯表面的吸附性能.研究发现β_(12)-硼烯对NO分子的吸附作用较强,最稳定结构的吸附能可以达到-0.771 eV,吸附过程伴随着较多的电荷转移,使其可能作为检测NO气体的气敏材料.另外,本文还计算了外加电场对吸附体系的影响,以探究绿色化学框架下吸附剂的循环再利用.结果表明外加电场可以使NO在β_(12)-硼烯上的吸附由化学吸附转变为物理吸附,使得β_(12)-硼烯可以进行可逆吸附/解吸NO分子,因此β_(12)-硼烯有可能成为一种新颖的可循环利用的NO吸附材料.

关键词：硼烯一氧化氮吸附能第一性原理电场

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基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器

光子学报 2023年

作者：张晓健张权兰桂莲骆鹏韦玮重庆大学资源与安全学院煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室

针对单层硼烯吸光效率低的难题，提出了一种基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器件，通过入射光直接激发高度局域的塔姆等离激元模式，深入研究了硼烯的近红外光学响应。仿真结果表明，所设计的硼烯/一维光子晶体结构能够有效提高硼烯... 详细信息

针对单层硼烯吸光效率低的难题，提出了一种基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器件，通过入射光直接激发高度局域的塔姆等离激元模式，深入研究了硼烯的近红外光学响应。仿真结果表明，所设计的硼烯/一维光子晶体结构能够有效提高硼烯的吸光效率，相比单层硼烯提升了一个数量级。同时器件在不同面内晶体方向上表现出强烈的各向异性。通过改变硼烯狄拉克电子密度，将器件在x和y偏振方向上的吸光效率提高至95.52%和96.63%，对应共振吸收波长为1 550 nm和1 607 nm。此外，通过改变一维光子晶体结构、氧化铝间隔层厚度及单层硼烯在间隔层中的位置等参数能够实现对吸收效率及吸收波长的灵活调控。该器件具有吸收效率高、工作波段可调等显著优点，可为发展下一代片上集成光电器件提供机遇。

关键词：硼烯塔姆等离激元近完美吸收器近红外波段各向异性光学材料

基于塔姆等离激元的硼烯近完美吸收器（特邀）

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光子学报 2023年第10期 57-68页

作者：张晓健张权兰桂莲骆鹏韦玮重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室重庆大学资源与安全学院煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室

关键词：硼烯塔姆等离激元近完美吸收器近红外波段各向异性光学材料

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硼烯与石墨烯复合材料的制备及性能研究

硼烯与石墨烯复合材料的制备及性能研究

作者：毕婷中北大学

学位级别：硕士

硼烯是一种新兴的单元素二维材料,具有独特的结构和丰富的物理性质,一直受到研究者们的强烈关注。然而,体相硼在层与层之间存在较强的共价键结合力,因此从中直接分离出单层硼烯几乎是不可能的。另外,硼原子的缺电子特性,使其化学性质活... 详细信息

硼烯是一种新兴的单元素二维材料,具有独特的结构和丰富的物理性质,一直受到研究者们的强烈关注。然而,体相硼在层与层之间存在较强的共价键结合力,因此从中直接分离出单层硼烯几乎是不可能的。另外,硼原子的缺电子特性,使其化学性质活泼、成键复杂,致使硼烯有很多同素异形体。虽然关于硼烯结构和性能的理论研究层出不穷,但其直到最近几年才被少数课题组成功制备,所以关于硼烯的实验制备仍是一个新兴领域。本论文采用化学气相沉积(CVD)法在H和Ar混合气氛环境下,直接在金属泡沫镍基底上成功制备出硼烯。硼烯的优越性能与其多态性结构密切相关,因此探索硼烯的稳定结构是挖掘硼烯物理性质及应用的首要任务,而对其生长条件的摸索就显得尤为关键。本文第一部分对晶体硼烯的制备及其储锂性能进行研究,重点围绕CVD法制备过程中温度、时间、气体流速的调控,系统地揭示了硼烯的生长机制;第二部分针对不同气体流速下制备的硼烯与石墨烯复合后的形貌结构、物相组成、键合特征及其储锂性能展开研究。主要开展了以下三方面工作:(1)以高纯硼粉和三氧化二硼粉末为硼源,氢氩混合气作为还原气体/载气,通过化学气相沉积法在泡沫镍上成功沉积出超薄硼烯,在HRTEM下观察到明显的晶格结构,测得其原子间距约为0.33 nm,结合XRD结果进一步确认制得的硼烯为β相。通过XPS、Raman等表征手段进一步揭示其形貌结构、物相组成和键合特征;(2)通过调控沉积时间、沉积温度、反应温度和气体流速等变量,制备出一系列硼烯材料,对其进行SEM、EDS、XRD等表征,分别探究硼烯的表面形貌、元素种类和物相组成等,进而揭示了硼烯的生长机制。进一步地,将这些材料做为锂离子电池负极,研究其电化学性能,揭示其储锂机制。(3)通过盐酸刻蚀法制备硼烯溶液,利用水热反应和高温炭化等方式得到硼烯/石墨烯(B/rGO)复合材料,TEM结果分析可知,硼烯以插层和负载两种形式存在于石墨烯之中。在电化学性能方面,复合结构表现出优异的储锂性能和长循环稳定性。结果表明复合阳极B/rGO-100在0.05 A g的电流密度下具有3588 mAh g的超高容量,在0.1 A g的电流密度下循环至209圈仍有2009 mAh g的容量。进一步地,通过电极动力学研究发现,当扫速为0.1 mV s时,B/rGO的电容行为贡献比例为53%。随着扫速的逐渐增加,电容效应的贡献占比逐渐增加,当扫描速率增加至5 mV s时,电容贡献达到98%,表明电容行为贡献占据主导地位。综上所述,B/rGO电极在快速充放电过程中的电荷存储以电容过程为主导,有利于实现电荷的快速存储和长期循环,从而使材料表现出优异的倍率性能。

关键词：硼烯泡沫镍化学气相沉积锂离子电池石墨烯

硼烯表面双原子HER/OER/ORR多功能催化剂的理论研究

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硼烯表面双原子HER/OER/ORR多功能催化剂的理论研究

作者：刘佳山西大学

学位级别：硕士

2011年研究人员首次制备出呈原子级分散的Pt催化剂,并提出单原子催化剂的概念:所有金属组分都是以单原子分散存在的负载型催化剂。在此之后,单原子催化剂(SAC)因其充分利用所有金属原子的独特优势、均匀的活性位点和明显的选择性,以及... 详细信息

2011年研究人员首次制备出呈原子级分散的Pt催化剂,并提出单原子催化剂的概念:所有金属组分都是以单原子分散存在的负载型催化剂。在此之后,单原子催化剂(SAC)因其充分利用所有金属原子的独特优势、均匀的活性位点和明显的选择性,以及比传统金属纳米粒子更强的催化活性而备受关注。然而,随着过渡金属(TM)原子负载的增加,团簇的内聚能破坏了单原子在衬底上的吸附,导致TM原子有团簇的趋势,催化性能显著下降。硼单原子层(BM)是一种由三角形和六角形空穴组成的新型二维材料,这些空穴可以作为过渡金属(TM)原子的原子锚定位点,导致TM原子独立分散而不形成团簇。因此,硼烯可作为SACs的载体,广泛应用于可再生能源转换、电化学等领域。相关研究表明负载孤立Ni原子的β12硼烯(Ni/β12-BM)可用于整体分解水的反应,理论预测Ni/β12-BM在析氢反应(HER)、析氧反应(OER)中均具有较好的催化性能,且相邻金属原子之间存在的协同效应能够有效提高析氧反应(OER)与氧还原反应(ORR)的催化活性,诱导双功能性质。因此,双原子催化剂(DACs)可作为催化反应中实现高效和选择性的有力工具,具有极高研究意义和应用前景。故本研究将基于密度泛函理论,研究3d过渡双金属原子TM1TM2(TM1=Fe/Ni,TM2=Cr～Cu)负载于β12-BM用于水分解,以探索多功能HER,OER/ORR的双原子催化剂。主要结论如下:β12-BM可作为双原子催化剂的良好载体。我们的研究表明,大多数DACs对于析氢反应(HER)都具有良好的催化性能,且NiCu金属原子之间的协同作用,使其成为一种用于HER的有效双原子催化剂,具有较低的氢吸附的吉布斯自由能,非常接近0(～0.0049 eV)。理论预测HER催化性能优于Pt(110)、MoS2以及未吸附金属原子的裸硼烯,且晶体轨道汉密尔顿种群(COHP)分析表明,H*原子与邻近位点之间的键合能级下降,综合-iCOHP值的变化表明成键。同时,从Bader电荷分析可知,更多的电子从H*原子转移到硼单原子层(BM),静电相互作用更强。该研究对β12硼烯表面吸附双金属原子用于析氢反应(HER)的催化性能进行了初步探索,可为实验提供理论指导,促进硼烯在HER中相关研究的发展。基于密度泛函理论,我们设计了一系列硼烯表面负载过渡金属双原子催化剂TM1TM2/β12-BM(TM1=Fe/Ni,TM2=Cr～Cu),来研究不同金属组合对 OER 和 ORR催化性能的影响。研究表明,在OER和ORR中,Ni吸附位点的FeNi双原子催化剂均具有较低的过电位(0.43/0.55 V),可作为一种良好的双功能催化剂。由于双原子之间的协同效应,催化性能优于相应的Ni或Fe单原子催化剂。基于含氧中间体(OH*、O*、OOH*)吸附自由能之间的尺度关系,建立了等高线图和火山图,进一步探讨了 OER/ORR性能的变化趋势。关于其键合机理和活性起源,通过使用iCOHP和d带中心(dband center)描述符分析了其与吸附OH*的关系。此外,我们设计了一种新的描述符φ,可有效、快速地筛选出最佳的催化剂。本研究为TM1TM2/β12-BM性能的OER和ORR性能提供了完整的描述,并为开发用于未来能量转换和存储的新型高效电催化剂提供了理论指导。

关键词：硼烯密度泛函理论双原子催化剂电催化