基于配位的硼基全erene 与 Borophene 分类与能量尺度

我们在配位基础框架下，对硼基 fullerene 与二维硼基片进行了全面第一性原理调查。通过根据局部原子环境（4 配位、5 配位和 6 配位）将超过十几个硼纳米结构（包括 B$_{12}$、B$_{40}$、B$_{38}$、B$_{65}$、B$_{80}$ 与 B$_{92}$）进行分类，我们识别出结构稳定性、电子性质与磁性之间的清晰趋势。一个通用的能量尺度关系 $E_c(n) = -a/n^b + E_c^{\mathrm{sheet}}$，其中 $b = 0.4$ 或 $b = 0.9$ 取决于配位系列，捕捉了 fullerene cohesive 能量向二维硼相收敛的趋势。值得注意的是，我们在选择性 cage 与实验可获得的 borophene 之间建立了一对一结构对应关系：B$_{40}$ 镜像 $\chi^3$-sheet，B$_{65}$ 镜像 $\beta_{12}$-sheet，B$_{80}$ 镜像 $\alpha$-sheet，B$_{92}$ 镜像 $bt$-sheet。我们的分析揭示了两种硼纳米结构系列基于尺度指数的区别：一种包含显著 6 配位的结构，另一种包括 B$_{40}$、B$_{38}$ 以及两个实验观察到的 borophene。这些簇还表现出较大的 HOMO-LUMO 间隙（例如 B$_{40}$ 的 $E_g = 1.78$~eV，B$_{92}$ 的 1.14~eV），与其二维对应物的金属性形成鲜明对比，且在 B$_{65}$ 案例中表现出自发磁化 ($M = 3\mu_B$)。我们的发现为通过利用配位指纹设计硼纳米结构提供了预测策略，并进一步通过最近合成的 B$_{80}$ cage 的实验验证。本工作搭桥连接了零维与二维硼化学，为未来合成与应用硼基材料提供了道路。