在2021 年 10 月发表在美国化学学会期刊《应用纳米材料》上的一篇论文中，工程师们揭示了一种特殊合成的硼烯（Borophene）的超导特性。据介绍，这项研究背后的团队来自中国青岛山东大学信息科学与工程学院——该机构专门研究硼烯、二维硼烯纳米材料以及该金属的新应用，包括作为锂离子电池的负极材料。

    很近，他们首次成功合成了氢化硼烯（B 8 H 4），这一发展为二维硼基半导体开辟了可能性。

    据《科学》报道，Monolayer borophene（triangular boron monolayer）于 2015 年首次在基材上合成。尽管新兴领域仍然存在挑战，但这为硼纳米片（ boron nanosheets）开辟了一个新时代。然而我们必须承认，第yi个合成的硼纳米片结构不稳定，难以探索其新的物理性质。2016 年发表在《物理化学化学物理》上的研究发现，hydrogenating borophene可以使其稳定。

    2021 年初，研究人员发现使用原子氢氢化 2D 硼烯（atomic hydrogen hydrogenate 2D borophene）会产生局部功函数（ local work function）较低的氢化硼烯（hydrogenated borophene），在正常空气中可稳定数天，并且只需通过热驱除银基板上的碳即可回收。

    这些进步意味着科学家们现在可以使用稳定的氢化硼烯来探索其特性和应用。如果没有稳定的氢化硼烯，就不可能对半导体中的硼烯进行很新的研究。

    这些对硼烯进行凝聚态理论分析的科学家们使用“第yi性原理”（“first-principles” ）计算方法来确定其性质和应用。

    第yi性原理方法根据原子组成粒子（电子和原子核）之间的基本相互作用来描述凝聚态物质。这改变了材料建模的传统方法：不是在系统级别描述材料，量子（尽可能小的）组件和相互作用构成了理解的基础。

    原子之间的所有相互作用，例如化学和分子键合，都是由这些粒子级别的基本相互作用决定的。这意味着这些相互作用的准确计算机模型应该揭示由此产生的所有复杂物理现象。

    支配这些相互作用的物理学相当简单且易于理解。只有两种粒子类型——电子和原子核——它们的行为符合基本量子力学定律。然而，第yi性原理建模仍然是一个非常困难的计算挑战。

    这是因为计算机需要解决的问题非常庞大，就输入它的计算数量而言。开发准确有效的理论和计算技术来处理每个粒子及其在物质中的相互作用对于凝聚态理论的研究至关重要。

    很新研究中的第yi性原理分析表明，氢化硼烯适用于纳米级场效应晶体管 (FET)。FET 使用电场来控制半导体器件中的电流流动。它们具有三个终端：源极、栅极和漏极。

    由于 FET 具有 100 MΩ 或更高的高栅漏（gate-to-drain）电阻，因此在 control 和flow之间提供了良好的隔离。它们还比双极结型晶体管 (BJT) 产生更少的噪声，并且在零漏极电流时没有偏移电压。FET 通常也比 BJT 具有更高的热稳定性。

    FET 适用于极低功耗的开关，这意味着由于散热需求的减少，它们可以有效地小型化。

    新研究包括对应变工程下单层 B 8 H 4的可调电子特性的详细评估，这对二维和纳米级半导体制造很重要。

    该团队还展示了基于B 8 H 4的 FET 在弹道传导方面的表现。弹道传导是携带能量的粒子在超导体材料中相对长距离的稳定流动。硼基 FET 半导体在该应用中显示出良好的电气性能。该论文表明，基于原始B 8 H 4的 FET可以满足国际半导体技术路线图 (ITRS) 对高性能纳米级器件的要求。

    ITRS 每年由来自欧洲、日本、韩国、台湾和美国的半导体行业人士在 1998 年至 2015 年期间制定。此后，它已被国际设备和系统路线图 (IRDS) 所取代，该路线图是在IEEE的赞助下发起的。

    路线图为纳米级电子产品设定了未来，展示了植入物、可穿戴设备、物联网设备和生物医学治疗在未来几十年将如何发展。

    基于B 8 H 4的 FET 是用于未来小型化电子产品的半导体材料的良好候选者。这些器件在仅 5 nm 的沟道长度下运行良好，在导通电流、延迟时间和功率延迟乘积方面表现良好。

    研究人员发现，在 5% 双轴压缩应变的情况下，基于B 8 H 4的 FET 可以进一步缩小到仅 3 nm 的栅极长度。

    总体而言，该论文的作者相信 B 8 H 4适用于小于 5 nm 的 FET 中的应用，并且基于硼的半导体在纳米技术的未来中具有广阔的前景。