硼烯类似层状材料离子层叠实现电容大幅提升：开启后石墨烯时代电子器件新征程

为解决无机材料结构刚性限制其在高性能下一代器件应用的问题，研究人员开展了离子层叠硼烯类似层状材料的研究。结果发现引入大阳离子可扩展液晶相热范围，且该材料使电极间电容提升超 105倍，为硼烯类似物在新型器件中的应用提供了可能。

　　在材料科学的广阔天地里，无机二维材料凭借独特性质在各类电子器件中占据重要地位。像具有铁电性和高介电常数的 BaTiO₃，能有效提升电极间电容，在实际应用中发挥着关键作用。然而，无机材料结构刚性这一 “顽疾” 严重制约其性能提升。在外界刺激下，原子或分子难以自由移动，就像被禁锢在牢笼里，极大限制了材料在高性能下一代器件中的应用，成为科研人员亟待攻克的难题。

在这样的背景下，来自大阪大学未来创新中心（Center for Future Innovation, CFi）、东京理科大学综合研究机构化学与生命科学实验室等多个研究机构的研究人员，展开了一场对新型材料的探索之旅。他们将目光聚焦于硼烯类似层状材料，致力于通过离子层叠的方式，挖掘其在提升电容方面的巨大潜力。经过不懈努力，研究取得了令人瞩目的成果：成功制备出离子层叠硼烯类似层状材料，发现引入大阳离子能扩展液晶相热范围，而且当将这类材料置于电极之间时，电容实现了 10⁵倍甚至更高倍数的提升。这一突破为硼烯类似物在新型器件中的应用开辟了新道路，有望推动后石墨烯时代电子器件的革新与发展。该研究成果发表在《Nature Communications》杂志上，引起了材料科学领域的广泛关注。

研究人员在探索过程中，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用溶液相合成法，以 MBH₄（M = K、Rb、Cs）为原料，成功制备出硼烯氧化物晶体（BoCs），并进一步通过热脱水反应得到相应的液晶材料（BoLCs） 。在材料表征环节，运用扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜、红外光谱（IR）、拉曼光谱、X 射线光电子能谱（XPS）、X 射线衍射（XRD）分析等多种手段，对材料的结构和性质进行深入研究。同时，借助差示扫描量热法（DSC）和热重分析（TG），监测材料在不同温度下的相转变和质量变化情况，为研究提供了全面而准确的数据支持。

下面让我们详细了解一下具体的研究结果：

• 无机液晶的合成：研究人员依据文献方法，以 KBH₄的乙腈溶液为原料，合成出含有钾阳离子的 BoCs（K - BoC）。在此基础上，通过更换原料，分别使用 RbBH₄和 CsBH₄，成功制备出含有 Rb⁺阳离子的 Rb - BoC 和含有 Cs⁺阳离子的 Cs - BoC。通过 SEM、IR、拉曼光谱、XPS 和 XRD 等多种表征手段分析发现，合成的 M - BoCs（M = Rb、Cs）与 K - BoC 具有相似的面内硼网络结构，但阳离子的种类对晶体结构的层间距影响显著。随着阳离子尺寸增大，层间距增大，晶体结构的晶胞参数也发生变化，Rb - BoC 的 a = b = 6.2 ?，c = 3.7 ?；Cs - BoC 的 a = b = 6.4 ?，c = 4.0 ?。
• M - BoLCs（M = Rb、Cs）的液晶特性：M - BoCs（M = Rb、Cs）样品经过 70 - 150°C 的热脱水反应，转变为 M - BoLCs（M = Rb、Cs）液晶相。通过偏光显微镜观察发现，其呈现出类似球晶的取向，与 K - BoLC 相似。热分析结果显示，随着阳离子尺寸增大，BoLCs 的相转变温度降低，接近室温，意味着在更宽温度范围内表现出活性。例如，Rb - BoLC 在冷却过程中出现尖锐峰，而 Cs - BoLC 因引入大尺寸 Cs⁺，层间静电相互作用减弱，结晶度降低，相转变温度进一步降低。此外，粉末 XRD 测量表明，由于阳离子尺寸增大使层间距充分扩展，M - BoLC（M = Rb、Cs）在脱水过程中未观察到峰的位移。
• BoLCs 对电容的增强作用：将 BoLCs 引入电容器电极之间，静电电容得到显著提升。以 K - BoLC 为例，在 200°C 时，与引入干燥 Ar 相比，电容提升了 10⁵倍。通过对器件厚度依赖性的研究，估算出 K - BoLC 的相对介电常数（ε_r）在该器件中超过 10⁵（如 200°C 时为 1.2×10⁵，30°C 时为 10） ，远超许多研究人员关注的液晶（≈10⁴）。电容随温度降低而大幅下降，加热后可恢复，具有良好的可逆性，开 / 关比超过 10⁴倍，转变温度为 120 - 130°C。在 200°C 下，多次充放电过程中，宽频率区域内电容变化不大，稳定性良好，但 275°C 时稳定性下降。频率依赖性研究表明，高频区域电容下降，主要是由于界面极化的影响，低频区域阳离子的移动增强了电容，而高频区域阳离子无法跟上频率变化，导致能量损失增加，损耗角正切值随频率升高而增大。

在研究结论和讨论部分，温度依赖性 XRD 分析证实了 K - BoLCs 在电极板间的形成，且结构变化可逆，与介电常数变化相似，表明阳离子和二维硼片在高温下仍能保持层状结构。研究还发现，不同阳离子对电容变化行为和频率依赖性影响显著，大阳离子使层间距增大，离子可在更广阔空间移动，有利于在高频区域保持高电容。尽管目前由于 BoC 和 BoLC 中氧原子位置尚不明确，难以进行更深入讨论，但该研究首次提出溶液相合成离子层叠硼烯类似层状材料的策略，为硼烯类似物在新型器件中的应用奠定了坚实基础。这一成果不仅为解决无机材料结构刚性问题提供了新思路，还为后石墨烯时代电子器件的发展注入了新活力，有望推动相关领域实现重大突破，开启材料科学研究的新篇章。