Single Pair of Charge-two Weyl Fermions in Chiral Boron Allotropes
Yanshan University（燕山大学）；Renmin University of China（中国人民大学）
本研究通过手性硼同素异形体实现非磁性材料中单对电荷二价韦尔费尔米子，突破传统约束，提供实验可访问的拓扑特征。
2026-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Proposed high-power beta cells from MgAlB14-type icosahedral-boron semiconductors
β细胞产生电功率，因为来自掺入的放射性同位素的产生载流子的β辐射轰击一系列p-n结。然而，对太阳能电池中常用的半导体的辐射损伤将β电池限制于产生伴随的微小电功率（例如，微瓦）的极弱辐射。相比之下，二十面体富硼半导体可能产生许多数量级的更大功率的β细胞，因为它们的轰击诱导的原子位移自发自愈。此外，基于MgAlB 14结构的二十面体-富硼半导体的Mg和Al原子的取代可以产生pn结，因为来自掺杂诱导的间隙二十面体外原子的电子转移将一些正常的p型材料转化为n型。此外，电子-声子相互作用所产生的易置换间隙阳离子与载流子促进他们形成大的极化子。不透明的带电极化子在短距离内相互排斥。这些排斥抑制了n型极化子与p型极化子的复合，从而提高了β电池的效率。总之，使用这些二十面体富硼半导体可以使β电池的电功率比现有的β电池大许多个数量级。这一发展为利用核衰变发电开辟了一条新途径。
2019-04-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Direct Evidence of Metallic Bands in a Monolayer Boron Sheet
金属硼同素异形体的研究在过去的几十年里引起了人们的极大关注，最近的理论工作预测了单层硼中金属性的存在。在这里，我们在Ag（111）表面上合成了\b{eta} 12层单层硼，并使用角分辨光电发射光谱确认了金属硼衍生带的存在。第一性原理计算支持费米面由S点的一个电子袋和X点附近的一对空穴袋组成。\b{eta} 12片层中的金属硼同素异形体开辟了材料科学中新物理和化学的道路。
2016-07-22 cond-mat.mtrl-sci
Data-driven learning of total and local energies in elemental boron
硼的同素异形体继续挑战结构解析和固态理论。在这里，我们使用机器学习结合随机结构搜索（RSS）算法来系统地构建硼的原子间势。从随机原子配置的集合开始，我们使用交替的单点量子机械能和力计算、高斯近似势（GAP）拟合和GAP驱动的RSS来迭代地生成元素的势能面的表示。除了非常不同的硼同素异形体的总能量，我们的模型很容易提供原子分辨的，本地的能量，从而加深了对受挫的$β$ -菱面体硼结构的了解。我们的研究结果为有效和自动生成GAP和其他基于机器学习的原子间势打开了大门，并表明它们作为材料发现工具的有用性。
2017-10-28 cond-mat.mtrl-sci
The impact of stress on the electronic structure of phosphorus allotropes stacked on hexagonal boron nitride
本文用密度泛函理论密度泛函理论研究了黑磷（BP）和蓝磷（\Pblue）在六方氮化硼（hBN）上形成的异质双层膜的力学和电学性质。重点放在如何施加在组成层上的应力影响其结构和电子性能。为此，我们采用了一个特定的结构弛豫方案，使我们能够区分扭曲每一层的能量成本和将它们堆叠在一起的增益。在大多数情况下，我们发现BP倾向于沿着较软的扶手椅方向收缩，就像已经报道的类似结构一样。这种收缩可以达到高达5%的应变，这可能会破坏其沿扶手椅方向的非常好的传输性能。为了防止这种情况，我们提出了一个扭曲的双层结构，其中最大的部分应力施加在Z字形轴上，从而降低对BP输运性质的影响。我们还研究了\Pblue /hBN双层膜。两层的价态之间的一种特殊的杂化，使我们认为在双层中激发的电子-空穴对将表现出混合特性，电子仅位于\Pblue{ }层中，空穴扩散到两层上。
2020-07-06 cond-mat.mtrl-sci
Ideal Nodal-Sphere Semimetal in the Three-Dimensional Boron Allotrope CT-B$_{24}$
Yanshan University（燕山大学）
本研究结合第一性原理计算与对称性分析，预测新型三维硼同素异形体CT-B₂₄为近乎理想的节球半金属，证实其结构稳定性，揭示其电子结构、表面态特征及应变诱导拓扑相变，为节球物理研究与拓扑器件研发提供新平台。
2025-10-21 cond-mat.mtrl-sci
Superconductivity from doping boron icosahedra
提出了一种在富硼固体中实现超导态的新途径--空穴掺杂B $_{12}$二十面体。为此目的，我们考虑一个原型金属相的B $_{13}$ C $_2$。我们发现，在这个化合物的硼二十面体单位主要负责大的声子频率对数平均值，65.8毫电子伏，和温和的电子-声子耦合0.8。我们认为，这种高临界温度可能是空穴掺杂硼二十面体固体的一般特征。
2004-04-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Accelerating crystal structure prediction by machine-learning interatomic potentials with active learning
在这封信中，我们提出了一种新的晶体结构预测方法，它是基于进化算法USPEX和机器学习原子间相互作用势主动学习的飞行。我们的方法允许从零开始，取代昂贵的DFT与几个数量级的加速自动构建原子间的相互作用模型。然后在DFT上测试预测的低能结构，确保我们的机器学习模型不会引入任何预测误差。我们测试了我们的方法上的一个问题的预测碳同素异形体，致密的钠结构和硼同素异形体，包括那些有超过100个原子的原始细胞。所有的主要同素异形体已被复制，并在非常温和的计算工作中发现了一个新的54原子结构的硼。
2019-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Phonon transport in single-layer Boron nanoribbons
受几种同素异形体成功合成的启发，硼片已成为各个领域的热点研究领域之一。本文利用非平衡格林函数结合第一性原理方法研究了三种锯齿形和扶手椅形边界的硼纳米带中的声子输运。在纳米带中发现了不同的输运性质。在室温下，它们的最高热导率可以与石墨烯相媲美，而最低热导率不到石墨烯的一半。三种硼片表现出不同的各向异性输运特性。其中两个片具有更强的声子输运能力沿锯齿形边缘比扶手椅边缘，而在第三个的情况下，结果是相反的。通过对声子色散、成键电荷密度和原子链简化模型的分析，讨论了不同声子性质的机制。由于所有的硼同素异形体都是由六边形和三角形环组成，因此可以在没有掺杂、吸附和缺陷的情况下自然地构造许多混合图案。我们的研究结果是有用的材料和器件设计使用硼片的热管理。
2016-05-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Simulated scanning tunneling microscopy images of few-layer-phosphorus capped by graphene and hexagonal boron nitride monolayers
元素磷被认为具有几种稳定的同素异形体，其在能量上接近简并，但具有化学反应性。为了防止在环境条件下的化学降解，这些结构可以被六方氮化硼（{ \em h}-BN）或石墨烯的单层覆盖。我们进行{ \em ab initio}密度泛函计算来模拟磷的不同层状同素异形体的扫描隧道显微镜（STM）图像，并研究覆盖层对这些图像的影响。我们发现，绝缘{ \em h}-BN的保护性单层允许区分下面的磷的不同结构相，即使图像仅通过看起来透明的氮原子过滤。对于被半金属石墨烯覆盖的磷膜来说，这种区别是不可能的。我们的研究结果表明，STM的真实空间成像能力不会受到所选择的保护磷表面的覆盖层的阻碍。
2015-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Understanding first order Raman spectra of boron carbides across the homogeneity range
碳化硼是一种轻质高温材料，作为结构材料和中子吸收剂具有各种应用。碳在硼中的大溶解度范围（在$\approx$ 9%和20%之间）源于三种二十面体相在低温下的结晶稳定性，具有各自的碳原子浓度：百分之八点七（B $_{10.5}$ C，命名为OPO $_1$），13.0\ %（B $_{6.7}$ C，命名为OPO $_2$），其理论拉曼光谱仍然未知，和20%（B $_4$ C），其中一些拉曼峰的性质仍然有争议。本文报道了碳化硼的一阶非共振喇曼光谱的理论和实验结果。密度泛函微扰理论使我们能够获得OPO $_1$和OPO $_2$相的拉曼光谱，由于电荷补偿效应，这些相是具有414个原子的复杂结晶基序的完美有序结构。此外，对于富碳的B $_4$ C，采用较简单的15原子单胞，结合实验研究了低能点缺陷及其浓度对拉曼光谱的影响，从而提供了实验光谱对样品制备、实验条件和装置的敏感性的见解。特别是，这使我们能够提出一种新的结构，在19.2%的原子碳浓度，B $_{4.2}$ C，这是非常接近的凸包的碳化硼，在富碳侧。这个新的阶段，来自我们命名的"3 + 1"缺陷复合物，有助于调和实验观察到的拉曼光谱与理论约1000厘米$^{-1}$。最后，我们预测的强度变化引起的实验几何形状和定量评估的本地化的散装和缺陷振动模式和他们的性格，与“链”和“二十面体”模式的分析。
2021-05-05 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of configurational disorder in B$_{4}$C using a superatom-special quasirandom structure method
用第一性原理计算研究了无序晶体碳化硼B $_{4}$ C。我们调查稀释和高浓度的碳硼替代缺陷。对于后者的目的，我们提出了一个超原子的复杂结构的图片，并结合它与一个特殊的准随机结构的方法无序。通过这种方式，我们对所识别的低能缺陷的高浓度的随机分布进行了建模：1）双极缺陷和2）二十面体碳在三个极化位置之间的旋转。此外，在所有六个极性位点的二十面体碳的取代无序，如先前在文献中讨论的，也被认为是。两个构型的相变从有序的无序配置的预测发生时，使用平均场近似的熵增加温度。第一个跃迁发生在870 K，导致了二十面体碳原子在三个上极性位上的无序置换，而第二个跃迁发生在2325 K，揭示了二十面体碳原子在六个上极性位上的无序置换和双极性缺陷共存.第一次跃迁已经消除了有序基态构型中存在的单斜畸变，恢复了菱面体体系（R3 m）。在第二次转变后，平均产生完全菱面体对称性（R-3 m）的反演对称性的恢复，对应于文献中报道的情况。从无序相得到的电子态密度表明带隙对B $_{4}$ C中构型无序程度的敏感性。
2015-08-31 cond-mat.mtrl-sci
New ab initio approach for high pressure systems with application to a new high-pressure phase for boron: perturbative momentum-space potentials
通过使用微扰理论，在这项工作中，我们开发了一种方法，该方法允许在密度泛函计算中使用的平面波基础的大小大幅减少。这种方法可用于赝势和全电子计算，在后一种情况下特别有益。在所有情况下，该方法的优点是可以准确预测任何环境下的可转移性误差。最后，这种方法可以很容易地实现为共轭梯度技术，因此它是计算效率。在这项工作中，我们应用这种方法来研究硼的高压相。我们发现，硼经历了一个相变从二十面体家庭的α-斜方晶系结构，这两个是半导体。α-斜方晶系结构具有比传统的单原子结构低的能量，这支持了硼的金属相以及因此的超导相比简单的单原子晶体复杂得多的断言。此外，我们认为，β-正交结构可能是一个候选的超导相的硼。
2002-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Structural Motifs and Bonding in Two Families of Boron Structures Predicted at Megabar Pressures
元素硼的复杂晶体化学导致了许多具有独特图案的结构以及相互矛盾的发现。在此，在100 GPa下进行的进化结构搜索已经发现了一系列潜在的新的亚稳相的硼，并进行键合分析，以阐明其电子结构。这些多晶型物，动态稳定在100 GPa，分为两个家庭。第一个是来自在这些条件下的热力学最小值，$α$ -Ga，而通道包括第二个。两个额外的共生结构被揭露，它表明，它们可以通过堆叠层的$α$ -镓样和通道样的同素异形体在彼此的顶部。详细的键合分析揭示了在基于$α$ -Ga的结构中由双中心B-B键连接的四中心$σ$ -键合功能的网络，以及在基于通道的结构中主要由三中心$σ$ -键合功能组成的网络。发现这些高压相中的七个在大气条件下是亚稳态的，并且它们的维氏硬度估计为$\sim$ 36 GPa。
2021-01-01 cond-mat.mtrl-sci
Unraveling the hardness of a borophene-based compound
二维系统加强了其作为新应用的关键材料之一的地位。最近，硼加入了被证实具有二维同素异形体的元素的杰出群体，称为硼烯。在这项工作中，我们探索了最高的钨硼化物的稳定性和硬度，这被认为是由金属原子分离的硼烯构成的。我们发现，WB $_{3+x}$只有在$x$的值很小的情况下才具有接近40 GPa的维氏硬度。额外的硼原子的插入通常在硬度方面对WB $_{3}$是有害的，因为导致形成与相邻W层连接不太紧密的准平面硼片。非常高浓度的硼（$x \approx 1$）产生软的（维氏硬度约为8 GPa）且不稳定的$hP$ 20-WB $_{4}$结构，其可被认为是由石墨W层分隔的准平面硼$α$ -片构成。另一方面，我们表明，钨空位的形成带来的结构，例如W $_{0.75}$ B $_{3+x}$，与维氏硬度，是不太敏感的硼含量的变化，并在值接近实验报告的负载无关的值高于20 GPa。
2017-01-29 cond-mat.mtrl-sci
Ionic high-pressure form of elemental boron
硼是一种具有迷人化学复杂性的元素。自1808年发现以来，争议一直笼罩着这个元素：新的“元素”原来是一种含有不到60- 70%硼的化合物，直到1909年才获得99%的纯硼。虽然我们现在知道至少有16种多晶型，但即使在环境条件下，硼的稳定相也还没有实验确定。硼的复杂性源于挫折：在元素周期表中，硼位于金属和绝缘体之间，只有三个价电子，这有利于金属性，但它们足够局部化，绝缘状态出现。然而，这种金属态和绝缘态之间的微妙平衡很容易被压力、温度和杂质所改变。在这里，我们报告的高压实验和从头进化晶体结构的预测，探索在压力下的硼的结构稳定性的结果，引人注目的是，揭示了部分离子高压硼相。这个新的阶段是稳定的19和89 GPa之间，可以淬火到环境条件下，并具有迄今未知的结构（空间群Pnnm，28个原子的晶胞）组成的二十面体B12集群和B2对NaCl型的安排。我们发现，该相的离子性影响其电子带隙，红外吸收和介电常数，它产生于不同的电子性质的B2对和B12团簇和由此产生的电荷转移之间。
2009-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Super-hard and superconducting boron clathrates in the prediction of U-B compounds
State Key Laboratory of Quantum Functional Materials, School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University（上海科技大学物理科学与技术学院量子功能材料国家重点实验室）；School of Physics, Hangzhou Normal University（杭州师范大学物理学院）；National Laboratory of Solid State Microstructures, School of Physics and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University（南京大学物理学院固体微结构物理国家重点实验室先进微结构协同创新中心）；ShanghaiTech Laboratory for Topological Physics, ShanghaiTech University（上海科技大学拓扑物理实验室）；Shanghai Key Laboratory of High-resolution Electron Microscopy, ShanghaiTech University（上海科技大学高分辨电子显微镜上海市重点实验室）
本研究通过第一性原理计算预测了高压下具有超导性和超硬性的U-B化合物，其中C2/m-B6的硬度达49-53 GPa，C2/m-B12的临界温度为16.12 K。
2025-12-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Configurational order-disorder induced metal-nonmetal transition in B$_{13}$C$_{2}$ studied with first-principles superatom-special quasirandom structure method
由于理论与实验之间存在很大的差异，晶态碳化硼B $_{13}$ C $_{2}$的电子性质一直是二十面体富硼固体研究领域中有争议的课题。我们证明，这种差异被删除时，构型紊乱被准确地考虑在理论计算。我们发现，而有序的基态B $_{13}$ C $_{2}$是金属，构型无序的B $_{13}$ C $_{2}$，建模与超原子特殊的准随机结构方法，通过金属到非金属的过渡作为无序度随着温度的升高而增加。具体来说，CBC链中的一个链端碳原子取代与其键合的B $_{12}$二十面体中邻近的赤道硼原子，产生B $_{11}$ C $^{e}$（BBC）单元。因此，取代无序的B $_{13}$ C $_{2}$的原子构型倾向于由B $_{12}$（CBC）和B $_{11}$ C $^{e}$（BBC）之间的混合物支配。由于B $_{11}$ C $^{e}$（BBC）中价态的分裂，B $_{12}$（CBC）中的电子缺陷逐渐得到补偿。
2015-08-31 cond-mat.mtrl-sci
Electronic, optical, vibrational and thermodynamic properties of phaBN structure: a first principles study
2015年，一种新的二维（2D）碳同素异形体，称为phagraphene，被理论上提出。基于这种结构，我们在这里提出了一种新的氮化硼结构称为phaBN。它由三种类型的环组成：五边形，六边形和七边形。我们采用密度泛函理论（DFT）框架下的第一性原理计算研究了phaBN的电子、光学、振动和热力学性质。我们的计算显示，phaBN具有2.739 eV的能隙，这几乎是六方氮化硼（h-BN）的能隙的一半，因此是半导体材料。通过光学、振动和热力学性质，可以分别观察到吸收区间、结构的稳定性及其形成过程。
2020-12-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The high-pressure phase of boron, γ-B28: disputes and conclusions of 5 years after discovery
γ-B28是最近建立的硼的高压相。它的结构由二十面体B12团簇和B2哑铃组成，呈NaCl型排列（B2）δ+（B12）δ-，并显示出显著的电荷转移δ~0.5- 0.6。这一相的发现对于理解和构建硼的相图至关重要。γ-B28在2004年初首次以纯硼同素异形体的形式被实验获得，其结构在2006年被发现。本文回顾了最近的研究结果，特别是处理有争议的问题，有关的状态方程，硬度，推定的同构相变在~40 GPa，并在这一阶段的化学键的性质的辩论。我们的分析证实：（a）基于密度泛函理论的计算给出了状态方程的精确描述;（b）所报道的γ-B28中的同构相变是人为的而不是事实;（c）该相的硬度的最佳估计为50 GPa;（d）该相中的化学键具有显著的电离度。除了在基于实验、热力学和量子力学的一致观点中概述以前的结果之外，我们还使用不同水平的量子力学理论（GGA、精确交换和HSE 06混合泛函）提出了γ-B28中Bader电荷的新结果，并表明早期关于该阶段部分电离性显著程度的结论非常可靠。
2011-09-20 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Prediction of a Novel 2D Porous Boron Nitride Material with Excellent Electronic, Optical and Catalytic Properties
多孔石墨炔（HGY）是最近合成的一种二维半导体碳同素异形体，由规则的六顶点和八顶点碳环组成。在本研究中，基于第一性原理密度泛函理论和分子动力学模拟，我们预测了一个类似的稳定的多孔氮化硼多孔石墨炔结构，我们称之为BN-多孔石墨炔（BN-HGY）。通过声子色散关系的计算以及从头算分子动力学模拟证实了该结构在室温下的动力学和热稳定性。BN-HGY结构具有5.18 eV的宽直接带隙，其可以通过用碳、铝、硅和磷原子代替BN-HGY的sp和sp $^2$杂化的硼和氮原子来可控地调节。我们还首次计算了HGY和BN-HGY结构的光学性质，发现这些结构的光吸收光谱跨越了整个可见光区和很宽的紫外区。我们发现BN-HGY结构的氢吸附过程的吉布斯自由能非常接近于零（-0.04eV），因此，BN-HGY结构可以用作HER的潜在催化剂。因此，我们提出可以合成多孔石墨炔的氮化硼类似物，并且它在纳米电子学、光电子学、自旋电子学、紫外激光、和太阳能电池装置。
2022-09-16 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
