神奇的二维硼：从电子缺陷到新型磁性材料

硼作为碳在元素周期表中的“邻居”，展现出与碳完全不同的化学与物理特性。
由于电子数的不足，硼的势能面极为复杂，其中 p 轨道中的电子在决定稳定性和性质时起着主导作用。

1. 平面硼团簇的奇特世界

在过去几十年里，科学家们已经合成了多种 平面硼团簇，例如具有 \(C_{6v}\) 对称性的平面 B\(_{36}\) 结构，以及带有六角空位的各种硼片。
这些低维硼材料展现出丰富的性质：

• 力学性能独特
• 电子结构多样
• 化学反应性强

理论预测表明，二维硼中可能出现无质量的狄拉克费米子（类似石墨烯），甚至还具有超导性和半导体特性。

2. 硼的潜在磁性

虽然目前实验上尚未发现硼团簇或单层硼的磁性，但理论研究揭示了一些线索：

• B20 团簇薄膜在六角排列下可能表现出铁磁性；
• 多层硼片通过结构演化算法预测也可能具有磁性；
• Boldyrev 等人提出，二维金属硼由 B6 单元拼装而成时，会展现奇特的磁性，其来源于畸变八面体中的未成对离域键电子。

这些结果暗示，硼或许能够成为新型磁性二维材料的候选。

3. 我们的研究：键分布模型与磁性硼结构

在我们之前的研究中，提出了一种 键分布模型 来解释硼纳米结构的稳定性。
这个模型基于两种效应的竞争：

• 8电子规则（趋向于电子局域化，形成封闭壳层）；
• 电子离域化（促进电子在更大范围内扩展）。

在结构对称性调控下，硼会出现 多中心成键，从而诱导出未成对的 p 电子，这正是潜在磁性的来源。

4. 高通量第一性原理计算的发现

通过高通量的第一性原理计算，我们发现：

• 所有平面硼团簇都可能表现出铁磁性；
• 这些团簇可以进一步组装成磁性单层或磁性半导体；
• B34 团簇尤为特殊，它具有较大的量子自旋数 S = 3。
  分子动力学（AIMD）模拟结果表明：
  即使在 500 K 的高温下，B34 的磁矩依然大于 4 μB，表现出惊人的热稳定性。
  此外，由磁性团簇与非磁性团簇拼装而成的硼单层，也能够在室温下保持磁性半导体特性，说明这种铁磁有序具有良好的鲁棒性。

5. 展望：硼基磁性二维器件

这些结果意味着：二维硼不仅仅是碳的“邻居”，更可能是未来自旋电子学和新型纳米器件的重要候选材料。
在理论上，它具备高温稳定的铁磁性与半导体特性；在应用上，它或许能为新一代低维磁性材料和自旋电子器件开辟道路。