基于简单烧结法的高质量晶体硼烯量子点的合成与表征

《Results in Materials》：Facile Sintering-Based Synthesis and Characterization of High-Quality Crystalline Borophene Quantum Dots

　　穆夫塔乌·阿莫比·阿德比西 | 帕维尔·Y·塔巴科夫
南非德班理工大学机械工程系，邮政信箱1334，德班4000

**摘要**
borophene量子点（BPQDs）展现出独特的性质，使其适合作为零维纳米材料。这些性质包括光学、结构、电气、机械、光物理和磁学特性，尤其是它们的铁磁行为。通过在常温空气中热降解（使用烧结方法）硼氢化钠（NaBH4），可以合成超稳定的晶体半导体BPQDs，这种方法具有可扩展性。合成过程涉及对borophene进行可控的加热和冷却循环处理。在常温常压条件下，氧可以作为铁磁行为的活性位点。各种表征技术，如场发射扫描电子显微镜（FESEM）、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、能量分散X射线光谱（EDX）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）、X射线衍射（XRD）、振动样品磁强计（Vibrating Sample Magnetometer）、傅里叶变换红外光谱（FTIR spectroscopy）、光致发光（PL spectroscopy）和紫外-可见光（UV-Vis）光谱，揭示了氧与硼氢化物功能团之间的相互作用对BPQDs的光学、发光、电气和铁磁行为的影响。氧的功能团通过缺陷中的复合/融合过程增强了UV-Vis和PL光谱中的光吸收和发光性能，从而控制了BPQDs在光电子学、生物传感、生物成像、自旋电子学、辐射屏蔽、纳米医学、能量存储和氢存储等领域的应用性能。基于BPQDs的存储设备表现出较高的开/关电流比（5 × 10^4），并且在低于2V的电压下稳定运行。这些性质使得BPQDs在电子和存储设备中具有很高的价值。

**1. 引言**
borophene量子点（BPQDs）是具有独特电子、光学和结构特性的迷人零维纳米结构[1]。它们具有高度各向异性的电子结构，并表现出优异的金属导电性，因此在光电子学、纳米电子学、自旋电子学以及氢和能量存储等领域具有潜力[2]。borophene的独特性质归因于其可调节的电子构型，这可以通过缺陷工程来实现[3]。硼基材料的铁磁行为和光学性质受到其结构中的固有缺陷以及合成后的处理（如热处理、退火、引入末端氧原子、空位和晶体缺陷）的影响[4, 5]。热处理可以引入含氧功能团，改变电子性质并增强铁磁特性[6]。辐照程序会增加缺陷密度，改善光学行为，并修改带隙特性[7]。以往对硼基纳米结构的研究主要关注了硼氧氮化物点、石墨化硼氮化物（g-BN）、硼氧化物纳米颗粒和硼氮化物点，重点在于缺陷[8, 9, 10, 11]。合成超稳定晶体半导体单元素零维BPQDs的目的是为了深入理解缺陷性质[12]。由于BPQDs容易氧化，因此精确控制缺陷密度对于缺陷工程至关重要[13]。最初报道的液相剥离法用于合成硼量子点，为后续进展奠定了基础[2]。虽然已经采用了多种技术（包括液相剥离、水热法、溶剂热法及其组合）来制备BPQDs，但其在可扩展性、可重复性和复杂处理方法方面仍存在挑战[14]。由于量子限制效应，BPQDs因其优异的电子和光学性质而受到了广泛关注。王等人的研究在这方面做出了开创性贡献[12]，他们通过液相剥离法成功合成了BPQDs并展示了其尺寸依赖性的光致发光行为[12]。侯等人使用硼氢化钠（NaBH4）作为前体，在氢气存在下合成了氢化borophene[15, 16]。所得纳米材料具有α-4H-borophene的晶体结构，在苛刻的氧化条件下表现出显著的稳定性[16]。氢化导致的结构缺陷产生了可观察到的吸收和发光特性[17]。

在这项研究中，开发了一种直接的方法来制备含有氧诱导缺陷的超稳定晶体半导体borophene量子点（BPQDs）。通过在大气条件下热降解NaBH4成功合成BPQDs，这种方法与传统化学气相沉积（CVD）技术不同。该方法通过可控的加热和冷却过程直接形成量子点，无需高真空环境和复杂技术。本研究制备的BPQDs在常规大气条件下经过热处理后含有多种氧功能团。这些氧功能团对borophene点的形成至关重要。通过全面的表征、磁学研究和光物理分析，我们对氧缺陷在BPQDs形成中的关键作用有了深入的理解。与其他技术相比，这种烧结方法的优势在于能够高效地合成独特的BPQDs。该方法高度参数化且可调，可以控制这些独特BPQDs的合成。这是首次系统性地探讨烧结方法中的合成温度对BPQDs多维性质的影响。研究表明，该烧结方法能有效制备超稳定的BPQDs。这是最早实验确认稳定的borophene衍生物量子点系统之一，并为其光学响应建立了基准。在此基础上，本研究报道了BPQDs具有3.55 eV的定义明确的带隙和约475 nm处的强光致发光峰，表明了明显的量子限制效应。此外，合成的BPQDs在薄膜形式下表现出可测量的导电性，显示出在光电子学应用中的潜力。与早期报道相比，本研究更好地控制了BPQDs的结构和功能性质，从而扩展了其应用范围。我们的目标是研究氧缺陷对BPQDs铁磁性质的影响。此外，目前缺乏使用多种分析技术对BPQDs的结构、磁性、电气和光学性质进行全面表征的研究。因此，本研究旨在填补这些空白。

**2. 实验部分**
2.1. 材料
使用来自Sigma Aldrich/Merck的纯度为99.999%的硼氢化钠（NaBH4），无需额外纯化。制备后，使用来自Sigma Aldrich/Merck的直径约为35mm（1.38英寸）的透析管进行纯化。所有过滤和表征过程均使用超纯水。
2.2. 安全控制注意事项
需要注意的是，BPQDs的热降解会产生易燃的氢气。因此，在制备过程中必须严格遵守适当的安全措施，本研究对此进行了仔细考虑。
2.3. borophene量子点的合成方法
侯等人的基础工作[15, 16]显著推进了borophene相关纳米结构的合成和稳定化，提供了关于基于硼的低维系统结构控制和化学稳定性的关键见解。特别是他们的研究表明，通过可控的合成条件和表面相互作用可以有效稳定borophene片层，从而解决了原始borophene的不稳定性问题。在此基础上，本研究进一步探索了尺寸更小的BPQDs的形成。与扩展的borophene片层不同，本研究合成的纳米结构表现出由其纳米尺度尺寸引起的量子限制效应，同时保持了富硼的结构特性。这种方法不仅符合侯等人的稳定化原理[15, 16]，还扩展了它们在零维硼基纳米结构中的适用性。因此，我们的发现为硼衍生物量子限制系统的可控合成和潜在功能演变提供了额外见解。

BPQDs是通过热降解方法成功合成的。该过程包括在大气条件下对块状粉末进行三阶段热降解烧结：首先将5克NaBH4在450°C下暴露3小时，升温速率为每分钟10°C，然后冷却至室温；接着在550°C下加热1小时，升温速率为每分钟5°C，随后冷却至25°C；最后在650°C下加热1小时，升温速率为每分钟5°C，再冷却至25°C。将含有10毫克的粉末在加入15毫升超纯水的条件下超声处理1小时。所得混合物在30000转/分钟的离心机中离心4小时以分离出固体和未溶解的物质。上清液使用3.5 kDa截留值的透析管透析五天，每次更换缓冲液时澄清液逐渐固化。粉末在70°C下干燥后收集。此外，还通过将NaBH4直接在500°C和700°C下退火/烧结制备了一些纳米材料，每种温度下保持三小时直至粉末变为浅灰色。然而，这种一步法无法产生高质量的量子点，显微镜下呈现的是模糊且不完整的斑点，而不是完全形成的BPQDs。因此，这种一步法无法产生具有理想铁磁性质的BPQDs。
2.4. 电导率测量
电导率测量在严格控制的实验条件下进行，以确保准确性和重复性。通过cross-sectional FESEM和HRTEM分析测得BPQD薄膜的厚度约为5.20 nm。约5.20 nm的厚度表明沉积材料形成了由聚集的BPQDs组成的薄膜，而不是孤立的单层borophene片层。这一厚度可能对应于多层堆叠结构或紧密排列的纳米点。这一观察结果与显微分析一致，表明形成了纳米尺度的域和层状结构，而不是单原子层的borophene结构。电学表征使用标准的四点探针配置进行，有效减少了接触电阻对测量电导率的影响。电极使用银浆制成，并以线性几何排列以确保薄膜表面的电流均匀分布。所有测量都在室温（约300 K）和常温条件下进行。

特别注意确保银浆电极与薄膜表面之间的良好粘附和欧姆接触。四点探针方法结合稳定的电极接触，确保测得的电导率准确反映了borophene量子点薄膜的固有电传输性质。
2.5. 器件制备和测试
所得分散液在2000转/分钟的离心机上离心120分钟，然后对上清液（含BPQD的10 mL溶液）在20,000转/分钟的条件下离心60分钟。BPQDs分散在1毫升DMF中，PVP颗粒也分散在1毫升DMF中。这两种分散液混合形成BPQD-PVP混合物，并在超声波清洗器中超声处理1小时。玻璃基底涂覆了氧化铟锡（ITO），并使用阴影掩模和磁控溅射系统制备了银线电极。电极的深度为100 nm，宽度为0.5 mm，长度为25 mm，间距为2.0 mm。薄膜通过旋涂法在玻璃基底上沉积，首先以1000转/分钟的速度旋转30秒，然后以3000转/分钟的速度旋转60秒。将薄膜在热台上加热至80°C持续30分钟后，使用磁控溅射法沉积了深度为50 nm、宽度为0.5 mm、长度为25 mm的Ag线电极。Ag线电极上下垂直排列。制备了具有活性层BPQD-PVP的器件阵列，ITO/Ag/BPQD-PVP/Ag三明治结构被用作非易失性存储设备。在室温下使用源测量单元（Keithley 2400）测量了I-V特性。
2.6. 表征方法
使用JEOL 2100F仪器进行了高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）分析。同时使用了Oxford Instruments 6498 EDS系统和选区电子衍射（SAED）图案，以及工作电压为200 kV的JEOL JEM-2100的HRTEM。HRTEM测量使用了碳涂层的铜网格来研究材料的结构性质。场发射扫描电子显微镜（FESEM）在200 kV的加速电压下用于检查制备的BPQDs的形貌和结构特征。样品使用‘Renishaw Via’拉曼显微镜进行表征，激光激发波长为788 nm，名义功率为10毫瓦。结果精度为2–4 cm^-1，每次测量耗时约10秒。使用Origin 2021软件进行基线校正。傅里叶变换红外（FTIR）光谱用于通过FTIR光谱仪（PerkinElmer Spectrum 100）识别BPQDs中的功能团。傅里叶变换红外光谱（FTIR）的测量范围是3900厘米^-1到300厘米^-1，分辨率为3厘米^-1，共进行了130次扫描。对于紫外-可见光（UV-Vis）光谱分析，将5毫克样品粉末溶解在15毫升超纯水中作为溶剂，使用岛津UV-3600分光光度计进行吸光度测量，带宽为1.5纳米，测量波长范围为200至800纳米。光致发光（PL）光谱使用PerkinElmer LS-55光谱仪收集，激发和发射狭缝宽度均为3纳米，覆盖的波长范围也是240至800纳米。合成BPQDs的结晶度和相纯度通过粉末X射线衍射（PXRD）来确定，使用的是PANalytical EMPYREAN型号设备，并采用CuKα射线（λ=1.5406 ?）进行测量。在10°到90°的范围内，以0.01°的间隔采集PXRD数据。BPQDs的磁性特性是通过Lake Shore 7400系列振动样品磁强计（VSM）来测定的。电学性质则是使用Keithley 2450电压源仪和Jandel四点探针进行测量，探针间距为1毫米。

**结果与讨论**

**3.1 HRTEM和FESEM分析**
通过热降解NaBH4得到的氢化BPQDs在各种溶剂和酸性条件下表现出高稳定性。这种稳定性给引入增强材料光学、电学和铁磁性能所需的缺陷带来了挑战。为了解决这个问题，开发了一种在常温条件下引入与氧相关的缺陷的合成方法。已知这些缺陷会影响基于硼烯材料的磁学、电学和光学特性。BPQDs的合成过程分为三个步骤。如图1所示，BPQDs是通过高效的热降解烧结方法合成的，该方法使用了大量的NaBH4粉末。首先，NaBH4在空气中加热至450°C并保持3小时，然后冷却至室温；接着再加热至550°C保持1小时，最后加热至650°C再保持1小时。所得材料经过纯化、干燥后，即可进行进一步分析。控制冷却和逐步加热的过程对于制备稳定的BPQDs至关重要，这是形成硼烯材料的前提。最后一个步骤是在超纯水中进行离心和过滤，以去除可溶性副产物并分离出较大的团聚体。HRTEM成像（图2a和b）显示，BPQDs颗粒呈球形，平均直径为4.04纳米，厚度为5.20纳米。凭借这些特性，BPQDs在光电子学应用中具有价值[18]。根据HRTEM测定的厚度以及横向尺寸（图2c），可以推断BPQDs由多层硼烯点组成，而非单个点，这与现有文献结果一致[19]。这一分析证实BPQDs在胶体悬浮液中保持稳定，没有过度聚集或分散不良的现象[3, 20]。

**3.2 XRD分析**
图3中的XRD图案用于确定NaBH4前驱体及其衍生物BPQDs的晶体形式和相纯度。制备好的BPQDs表现出可与β-硼烯结构对应的晶体结构，这一结论通过主峰与块状NaBH4样品的对比得到了证实[26]。β-硼烯晶体的中心对称R-3m空间群通过XRD得到确认，这与BPQDs的HRTEM分析结果一致[27]。BPQDs的XRD图谱在23.4°附近显示出一个强峰，对应于硼烯的(018)晶格方向，表明其具有用于生物成像的潜力[28]。该峰在NaBH4的XRD图中不存在，进一步证明了BPQDs的成功合成。XRD数据主要用于相鉴定和结晶度评估；虽然XRD数据可以估算层间距，但更可靠的层间距值是通过HRTEM直接测量晶格条纹获得的[28]。然而，由于缺乏成熟的晶体学模型以及纳米尺度结构导致的峰宽增加，将其应用于BPQDs存在一定的难度。尽管如此，XRD结果仍为BPQDs的成功合成提供了可靠证据。HRTEM结果还显示BPQDs的粒径为4.04纳米，表明其具有较高的表面积与体积比[24]。XRD谱图（图2d）证实了BPQDs的结晶性，晶格条纹间距约为0.28纳米，与实验和理论研究结果一致[14, 23]。这些性质使得BPQDs适用于纳米电子学应用。高倍率SEM图像（图2e）进一步展示了BPQDs的超薄、超细特性，横向尺寸范围为2至10纳米，中位数尺寸为4.04纳米。EDX分析（图2f和S1(a,b)）提供了形态信息和元素组成分析，证实样品中含有硼（B）和氧（O）元素。引入氧元素归因于热降解烧结过程中的缺陷形成。有意引入氧元素作为缺陷表明使用了块状NaBH4粉末进行氢化处理，从而产生了超细、超小、超薄的BPQDs。HRTEM图像（图2a,b）清晰显示了 interconnected的超小、超薄BPQDs及其与硼烯晶格平面相对应的晶格条纹[25]。SAED谱图进一步证实了BPQDs的结晶性，使其适用于氢储存应用。FFT衍射图谱（图S1c）提供了有关材料结晶性的额外信息，表明其具有β-硼烯结构[23]。这些发现详细描述了BPQDs的晶体特性。通过EDX结合FESEM和HRTEM确定了合成硼烯量子点的元素组成，EDX谱图确认了主要成分是硼，同时检测到少量氧元素，这可能是由于样品处理过程中的表面氧化或环境影响所致。虽然X射线光电子能谱（XPS）通常用于详细表面化学状态分析，但由于仪器限制，本研究未能使用。

**3.3 拉曼分析**
图4(a)和(b)展示了BPQDs和块状NaBH4粉末的拉曼光谱。图4(a)中762厘米^-1处的最显著峰是B-B簇的Eg振动模式[12]；1085厘米^-1处的峰归因于B-B簇的A1g + Eg振动模式[20]。2473厘米^-1处的峰则与B-H振动和畸变模式相关，表明存在硼-氢相互作用[1]。这些独特特性使得BPQDs适合用于纳米电子学和辐射屏蔽应用。NaBH4粉末的拉曼光谱中也观察到了相同的B-H带（图4(b)），进一步证实了BPQDs的晶体结构与从NaBH4粉末合成BPQDs的方法一致[29]。

**4. UV-Vis和PL分析**
UV-Vis及PL光谱用于研究氧缺陷对BPQDs光学性质的影响。溶解在超纯水中的BPQDs的UV-Vis吸收光谱（图5a）显示在305纳米处有一个吸收峰，这些性质使得BPQDs适用于传感器设备和需要光控制的应用。相比之下，图S2中NaBH4的UV-Vis吸收光谱并未显示出可见光的吸收。而BPQDs则表现出强烈的UV-Vis吸收，其吸收光谱的尾部延伸至800纳米，也表明它们能够吸收可见光。先前的研究结果表明，非桥接和桥接氧原子（包括氧缺陷）对B-OH结构吸收紫外线和可见光具有贡献[29]。这种宽吸收光谱可以归因于硼菲结构中的缺陷，这些缺陷赋予了量子点半导体特性[20]。下载：下载高分辨率图片（233KB）下载：下载全尺寸图片图5. (a) BPQDs的吸收光谱，(b) BPQDs的光学带隙。3.5. Tauc图分析合成的BPQDs的光学带隙是使用Tauc关系式估计的：(2)(αhv)n = A(hv - Eg)，其中α是吸收系数，hν是光子能量，A是比例常数，Eg是光学带隙。指数n取决于电子跃迁的性质，n=2对应于直接允许的跃迁，n=1/2对应于间接允许的跃迁[30]。在这项工作中，假设了直接允许的跃迁（n=2）。这一假设得到了样品光学特性的支持：UV-Vis吸收光谱显示出一个尖锐的吸收边缘而不是逐渐衰减的尾部，表明了直接跃迁。此外，强烈的光致发光表明了有效的辐射复合，这是直接带隙半导体的特征。此外，硼菲量子点的低维性和量子限制效应可以改变其电子结构，通常导致从体相硼基材料的间接跃迁行为转变为纳米尺度下的直接带隙特性。基于这些考虑，使用(αhν)2与hν的关系绘制了Tauc图，并通过将线性区域外推到光子能量轴上来获得光学带隙。Tauc图表明BPQDs的带隙计算为3.55 eV，表明形成了具有宽带隙的半导体结构（图5(b)）。这些性质使BPQDs在生物医学和传感器设备中的应用成为可能[31]。体相硼的UV-Vis吸收光谱（图6(a)）在238和285纳米处显示出吸收峰，这些峰值低于所制备纳米材料的吸收峰。体相硼的带隙通常为1.90 eV，低于从BPQDs测量得到的32, 33, 34 eV。氢化显著改变了BPQDs的电子行为，导致带隙的开裂[35]。研究表明，氢化后的BPQDs表现出直接带隙，这与先前的研究结果一致[16]。硼菲点的电子行为可以从金属性变为半导体性，这取决于它们的化学和结构环境[36]。本研究中观察到的3.55 eV带隙可以归因于缺陷相关修饰以及氧的影响，氧改变了电子态[29]。这一发现与先前的研究结果一致，即氧吸附会影响带结构，表明B-O相互作用在BPQDs的带隙开启中起着重要作用[37]。相比之下，氢化后的硼菲点的带隙为2.49 eV，表明?-4H硼菲点的缺陷配置在带隙形成中起着关键作用[16, 25, 35]。BPQDs观察到的较大带隙可能归因于在纳米材料合成过程中引入的更多氧缺陷。下载：下载高分辨率图片（325KB）下载：下载全尺寸图片图6. (a) 体相硼的UV-Vis光谱，(b) 硼材料的光学带隙。3.6. PL分析通过使用激发-发射强度图（图7）对BPQDs的PL光谱进行了研究。该光谱是通过将BPQDs分散在超纯水中获得的。当在300纳米（4.13 eV）处激发时，BPQDs发出接近蓝色的光，峰值位于475纳米（2.61 eV）。具有这些特性的BPQDs适用于太阳能电池和储氢等应用。与α-4H硼菲（据报道在498纳米（2.49 eV）处发光）相比，BPQDs的发射波长更短，且激发向深紫外区域移动[16]。发射能量低于BPQDs的带隙能量，表明氧缺陷导致了这种变化[38]。数据表明氧原子会引起BPQDs中晶格的轻微变化[39]。这些变形产生了基态缺陷，导致结构内的不同氧缺陷[37]。氧缺陷改变了BPQDs的电子特性，影响了它们的电学、光学和磁学行为[40]。下载：下载高分辨率图片（118KB）下载：下载全尺寸图片图7. (a) 用300纳米激光激发的BPQDs的PL光谱。与Wang等人最初报道的BPQDs[12]相比，这些BPQDs具有明确的光学带隙（3.55 eV）和集中在约475纳米处的强发射。此外，观察到的电导率表明电荷传输特性得到了改善，这可能源于结构的有序性和纳米尺度厚度的控制（约5.20纳米）。这些发现共同表明BPQDs在光电性能和功能性应用方面取得了进展。PL行为受到其纳米尺度尺寸和结构无序性的强烈影响，这一点通过HRTEM、SAED和XRD分析得到了证实。观察到的发射可以归因于由于纳米结构尺寸减小而产生的量子限制效应，从而导致离散的能级和增强的辐射复合概率。除了量子限制之外，PL响应还受到硼框架内内在缺陷态和表面相关陷阱态的显著影响。这些缺陷与未配位的硼原子、边缘位点和在量子点形成过程中引入的结构空位有关。这样的缺陷能级在带结构中起到中间能级的作用，促进了辐射复合过程[12]。因此，观察到的宽发射轮廓可以归因于带边跃迁和缺陷介导的复合过程的结合。这种解释与SAED揭示的部分有序结构以及HRTEM观察到的纳米尺度畴的形成一致。此外，量子限制系统中固有的高表面积与体积比增强了表面态的贡献，进一步强化了与缺陷相关的发射特征。总的来说，PL行为证实了BPQDs的光学特性受量子限制和缺陷诱导的电子态相互作用的影响[12]。3.7. BPQDs和体相NaBH4的FTIR分析使用FTIR分析了BPQDs的结构组成，并阐明了其生产过程中各个热阶段的特性。图8(a)显示了NaBH4在3900–300 cm?1范围内的FTIR光谱。O–H伸缩区域在3391、3497和3678 cm?1处有三个尖锐峰，以及一个更宽的峰在3172 cm?1[29]。3528和3557 cm?1处的两个较小峰与H–O–H弯曲有关[41]。1200 cm?1处的峰对应于BH4基团的弯曲振动[29]。682、972和1452 cm?1处的峰代表B–O伸缩振动[41]。1163和1671 cm?1处的峰表示B-H基团的伸缩振动[29]。当NaBH4转化为BPQDs时，FTIR光谱中出现了新的特征，如图8(b)所示。2285 cm?1处的峰归因于B-H伸缩，与BH4基团中的峰不同，表明BPQDs中存在硼氢化物组分[42]。BPQDs的FTIR光谱在1401 cm?1处显示了一个吸收峰，归因于B–O伸缩，表明形成了硼氧基团[42]。此外，1171、963、852和672 cm?1处的吸收峰与B–B伸缩和弯曲模式有关，支持了BPQDs形态中硼-硼网络的形成[29]。下载：下载高分辨率图片（492KB）下载：下载全尺寸图片图8. (a) 体相NaBH4的FTIR，(b) 合成的BPQDs的FTIR。这些特性使纳米材料在生物成像、发光设备（LED）和生物传感等应用中非常有价值。讨论3900–3000 cm?1范围对于理解BPQDs的存在及其与系统中吸收的水分子的相互作用至关重要[42]。BPQDs的FTIR吸收光谱显示了O–H键振动，表明存在含有羟基的不同化学物种。3391、3497和3529 cm?1处的峰对应于不同的羟基物种，包括吸附的水和氢键合的羟基物种[43]。3678 cm?1处的峰表明存在独特的最终羟基物种（表2）。红外光谱揭示的复杂结构表明了不同B–OH物种之间的相互作用以及与环境中水的相互作用[44]。FTIR光谱中的氧相关峰可以归因于体相硼中常见的氧缺陷，表明氧原子和硼之间的相互作用导致BPQDs中产生了氧缺陷状态[18]。这些性质使它们在纳米医学和生物医学应用中非常重要，因为缺陷可以通过在带隙中引入缺陷态来改变电子、磁性和光学行为。表2. 通过热降解烧结方法制备的体相NaBH4和BPQDs的FTIR光谱。样品范围 [cm-1]B-BB-OB-HB-OHNaBH4材料-----,-----,-----,-----682,972,14521163,1671,22853391, 3497,3678BPQDs672,852,963,117114012046,2085,25913391, 3497,36783.8. 对合成的BPQDs和作为前体的体相NaBH4材料进行的电导率测量使用四点探针比较了BPQDs和体相NaBH4粉末的I–V曲线特性，结果如图9所示。电导率值是使用标准四点探针配置在约5.20纳米厚的薄膜上获得的（详见实验部分），确保了最小的接触电阻和可靠的内在传输特性测量。BPQDs在650°C时的I–V特性显示出欧姆接触，表明其具有高电导率，适用于太阳能电池、低温环境下的能量存储和电子设备的改进热控制[34]。使用方程（1）确定了每种材料的电阻率。表3显示了BPQDs在650°C时的电阻率低于体相NaBH4的电阻率。（1）其中Rsh表示片层电阻，t表示薄膜厚度，V表示施加的电压，I表示电流。BPQDs和NaBH4粉末的导电率（σ）是使用σ = 1/ρ公式计算的，如Adebisi等人提供[33]。表3比较了650°C时BPQDs和NaBH4粉末的计算电阻率和导电率。BPQDs的导电率超过了体相材料，突出了所制备纳米材料的独特性质[41]。相比之下，由于电子在弱层之间的流动受到限制，NaBH4的导电率极低[45]。650°C下的材料比NaBH4具有更高的电导率，使其在光电子学和储氢应用中具有优势[46]。BPQDs开始在450至550°C的温度范围内形成。随着温度的升高，颗粒的晶界建立了良好的接触，从而在650°C时形成了纳米材料[29]。尽管在不同温度下分三步制备的BPQDs的电阻率较低，但在650°C下制备的BPQDs表现出优异的电学特性，其电导率最高为4.83 x 10-2 S/cm。这种高电导率使它们适用于低温环境下的自旋电子学和纳米电子学。零维生长和出色的结晶度贡献了BPQDs在650°C下的卓越电导率。下载：下载高分辨率图片（142KB）下载：下载全尺寸图片图9. 合成的BPQDs和体相NaBH4粉末的I–V表征。表3. NaBH4和BPQDs的电导率。NaBH4和BPQDs电压（mV）安培（mA）片层电阻（Rsh）/Ω电阻率ρ/(Ω/cm 1)导电率δ/(Ω-1/cm)NaBH49.98x10^22.0x10^-64.99 x 10^81.50x10^36.7x10^-4BPQDs9.98x10^22.5x10^-53.99 x 10^72.07x10^-14.83x10^-2测量结果表明，BPQDs的电导率高于NaBH4材料，后者?电导率约为6.7 x 10^-4 S/cm。然而，在650°C下制备的BPQDs（4.83 x 10^-2 S/cm）的电导率超过了NaBH4，使其在电子设备和生物传感应用中具有价值[47]。从长链硼菲纳米粒子形成BPQDs在零维（0D）形式中至关重要[18]。硼菲的各向异性传输特性起着重要作用，沿c轴的平面内传输和层间传输之间存在显著差异[24]。BPQDs在平面内传输比层间传输更有效，使电流能够在0D通道路径中流动[24]。与纳米结构形成之前的硼菲纳米粒子相比，BPQDs表现出更好的导电率特性[48]。BPQDs的优异电导率从I–V曲线结果中可以明显看出，这强调了它们在改善电子器件的热管理、生产导电材料和开发低温环境传感器方面的多种应用[48]。它们的电导率归因于材料中的氧缺陷，这使得它们在需要这一特性的系统中特别有价值[48]。接下来的部分将研究这些材料的VSM特性，以评估它们的磁行为。3.9. BPQDs和块状NaBH4粉末的VSM表征使用VSM仪器测量了BPQDs和NaBH4材料的磁性质。BPQDs粉末被装入样品架并放置在仪器中进行室温下的测量。图10(a)显示了BPQDs和块状NaBH4样品的磁性质分析。目标是获得在650°C时矫顽力(Hc)为292 Oe和饱和磁化强度(Ms)为6.569 emu/g的BPQDs，以用于能量存储和氢气生产。对磁行为的检查表明，在650°C下合成的BPQDs表现出满意的矫顽力和饱和磁化强度结果，分别为292 Oe和6.569 emu/g，这归因于纳米材料中的氧缺陷[29]。在650°C下合成的BPQDs由于制造过程中引入了氧而表现出典型的铁磁性质，如图10(b)所示。相比之下，NaBH4粉末的矫顽力和饱和磁化强度较低，分别为99 Oe和0.993 emu/g，表明其具有非铁磁特性，如图10(c)所示。虽然饱和磁化强度(Ms)对于辐射屏蔽至关重要，但实际上设备还需要理解磁开关、磁静态相互作用和其他重要因素[49]。表4显示，在650°C下BPQDs的矫顽力(Hc)为292 Oe，几乎是相应块状NaBH4（99 Oe）的三倍。块状材料的矫顽力通常低于纳米材料[33]。BPQDs中观察到的更高矫顽力可能归因于它们较小的比表面积和表面晶体结构的完美性，特别是在系统中引入氧缺陷时[38]。NaBH4粉末材料的性质和纹理可能会影响矫顽力值的变化。结果表明，如图38所示，随着缺陷的出现，矫顽力会增加。因此，随着缺陷的增加，所制备材料的矫顽力也会增加。下载：下载高分辨率图像（496KB）下载：下载全尺寸图像图10. 显示了(a)通过热退火烧结技术合成的BPQDs和块状NaBH4的VSM光谱，(b)BPQDs的磁滞回线，显示了室温下记录的铁磁性质，(c)NaBH4的磁滞回线，显示了非铁磁性质。表4. NaBH4和合成的BPQDs的磁化数据参数室温块状NaBH4BPQDs矫顽力，Hc (Oe)99292饱和磁化强度，Ms (emu/g)0.9936.499剩磁，Mr (emu/g)0.0120.073饱和场，Hs(emu/g)80008000平方度（Mr/Ms）0.0120.011表4显示了量子点和NaBH4粉末的平均饱和磁化强度。BPQDs在室温下的饱和磁化强度明显高于NaBH4，大约是其三倍。BPQDs和NaBH4在室温下分别表现出平均铁磁和非铁磁值，分别为6.499 emu/g和0.993 emu/g。BPQDs的磁性质主要归因于其纯金属性质。量子点的磁化曲线中检测到磁滞回线和剩余磁化，验证了它们的铁磁性质[50]。650°C下合成的BPQDs的饱和磁化强度为6.5 emu/g，平方度为0.011 Mr/Ms，表明其中含有大量的铁磁材料。BPQDs的矫顽力大于块状NaBH4，后者为0.993 emu/g，平方度为0.012，矫顽力为99 Oe。650°C下BPQDs的矫顽力超过了块状材料。量子点的厚度、表面特性和表面磁行为影响了BPQDs的饱和磁化强度值。无论温度如何变化，量子点和块状材料的饱和场(Hs)都保持一致，如表4所示。尽管合成的方法不同，BPQDs的饱和场值仍保持在8000 Oe。热能对制备好的量子点和块状材料的饱和场影响很小。650°C下合成的BPQDs表现出更高的带隙(3.55 eV)、更大的导电性(4.83 x 10-2 S/cm)和增强的磁饱和度(Ms = 6.569 emu/g)，这归因于它们的最小直径(约4.0 nm)和由于引入缺陷而提高的结晶度。这些改进是由量子限制和优选的晶体结构共同作用的结果。材料中更多的氧缺陷导致BPQDs的带隙、导电性和饱和磁化强度增加[29]。VSM测量确认了量子点的铁磁性质，表明它们在水净化、磁分离以及作为扬声器、电动机和发电机等设备组件方面的潜在应用[47]。合成的BPQDs的磁行为可以归因于纳米级硼框架内的结构缺陷、边缘态和 reduced dimensionality effects。尽管块状硼通常是抗磁的，但纳米级的限制和结构无序导致局部磁矩的出现[29]。HRTEM和SAED结果证实了部分有序的纳米级畴的存在，而XRD表明结晶度较低。这些结构特征表明未饱和的硼原子密度较高，特别是在边缘和缺陷位点。这种欠配原子可以产生未配对的电子，从而贡献于观察到的磁响应。此外，量子限制增强了电子的局域化，从而在缺陷位点增加了自旋极化。结构缺陷、表面态和纳米级尺寸减小的综合影响导致BPQDs出现弱铁磁或类顺磁行为。因此，观察到的磁性质本质上与材料富含缺陷的部分有序结构有关，这一点通过结构分析得到了证实。这些结果共同表明，BPQDs的光学和磁性质是由纳米级结构限制和缺陷诱导的电子态而非块状硼的性质决定的[29]。3.10. 阳离子分布和磁化行为为了进一步解释观察到的磁行为，考虑了尖晶石晶格内的阳离子分布。尖晶石型材料的磁行为主要由阳离子在四面体(A)和八面体(B)位点上的分布控制，这决定了超交换相互作用(A–O–B、B–O–B和A–O–A)的性质和强度[51]。一般来说，反转程度显著影响净磁矩，因为磁性离子在A位点和B位点之间的重新分布改变了铁磁和反铁磁交换相互作用之间的平衡[4]。在本研究中，由于实验限制，没有直接定量评估阳离子分布（例如，通过Rietveld refinement或光谱技术确定反转参数）。然而，根据观察到的晶体结构和磁响应，可以合理推断出定性相关性。因此，磁化变化可能与四面体和八面体位点上的阳离子占据率差异有关，这反过来又影响了尖晶石晶格内的整体交换相互作用[52]。这种解释与以前关于尖晶石铁氧体及相关系统的研究结果一致，在这些研究中，磁性质强烈依赖于阳离子位点偏好和反转程度。3.11. 材料中缺陷增加的影响表征方法支持氧缺陷影响BPQDs性质的观点[37]。数据表明，由于氧原子吸附，硼烯点晶格发生了轻微变化，导致形成低能态并在材料中引入各种氧缺陷[53]。这些缺陷在改变BPQDs的电子特性方面起着重要作用，从而影响其电学、光学和磁行为[40]。为了研究氧缺陷对BPQDs磁性质的影响，使用在300°C下加热的样品分析了BPQDs的结构、光学（UV-Vis和PL）和电学性质。HRTEM图像和EDX图（图11a, b）显示加热材料中的氧含量增加。HRTEM图像分析显示，加热材料的尺寸从4.04 nm减小到3.98 nm，厚度从5.20 nm增加到6.34 nm，这归因于氧的掺入。材料的吸收波长也从305 nm (4.07 eV)增加到310 nm (3.99 eV)，如图12(a)所示。这种增加与样品中的氧缺陷有关，这些缺陷使光学带隙从3.55 eV提高到3.95 eV，表明电子态发生了显著变化（图12b）。此外，PL发射强度增加，最高发射波长从475 nm (2.61 eV)移动到537 nm (2.31 eV)，如图12(c)所示。这些发现突出了氧缺陷对BPQDs的光学和电子性质的影响[29]。图12(d)展示了制备的纳米材料的电学性质(I-V曲线)。随着样品中缺陷的增加，电导率从4.83 x 10-2 S/cm增加到5.50 x 10-2 S/cm[18]。表5进一步证明了制备材料中存在氧缺陷。在其他量子点中也观察到了类似的现象。表6列出了合成的BPQDs以及其他许多量子点的估计电阻率和导电率，以便进行比较。不同的导电率反映了每种量子点纳米材料的独特性质。合成的BPQDs在所有合成的量子点中显示出最高的导电率，使它们更适合全局市场。这些性质增强了BPQDs在药物输送、生物成像、传感器、纳米电子学、光电子学、生物医学和生物传感器设备等各种领域的应用。还研究了氧缺陷对在300°C下加热的量子点的磁行为的影响。材料的磁化性质从6.569 (emu/g)增加到9.720 (emu/g)，表明电子态和磁性质发生了显著变化，如图13(a)所示。图13(b)显示了矫顽力和带剩磁的磁滞回线，显示在300°C下加热的BPQDs的值从292 Oe增加到353 Oe，表明其具有更强的铁磁性，这一点通过室温下的磁化曲线得到了证实[50]。下载：下载高分辨率图像（589KB）下载：下载全尺寸图像图11. 显示了(a)通过热处理增加材料中缺陷百分比的合成的BPQDs的HRTEM，(b) BPQDs的EDX图，显示了材料中每种元素的百分比。下载：下载高分辨率图像（381KB）下载：下载全尺寸图像图12. 显示了(a)制备好的BPQDs的UV-Vis，(b) BPQDs的Tauc图，(c) BPQDs的PL，(d)通过热处理增加更多缺陷的BPQDs的I-V曲线。表5. 在300°C下热处理以引入更多缺陷的合成BPQDs的电导率。材料合成电压(mV)安培(Ampere)片状电阻(Rsh)/Ω电阻率ρ/(Ω/cm-1)导电率δ/(Ω-1/cm)BPQDs（在300°C下热处理）9.98 x1023.50 x10-52.85 x 1071.81 x1015.50 x 10-2BPQDs9.98 x1022.50 x10-53.99 x 1072.07 x 1014.83 x 10-2表6. 合成的BPQDs和GQDs的电导率比较。量子点材料直径(nm)电阻率ρ/(Ω/cm-1)导电率δ/(Ω-1/cm)参考在(450 °C-550 °C -650 °C)下合成的BPQDs4.042.07 x 1014.83 x 10-2本工作在300°C下退火的BPQDs3.981.18 x 1015.50 x 10-2本工作GQDs------2.5x1054.0x10-5[54]GQDs3.13.3x1093.0x10-10[55]GQDs-PCN-2223.11.1x10109.0x10-11[55]下载：下载高分辨率图像（223KB）下载：下载全尺寸图像图13. 显示了(a)制备好的BPQDs的VSM，(b)当样品在300°C下热处理以引入更多缺陷时，BPQDs的磁滞回线，表明其具有更高的铁磁值。经过热处理引入缺陷后，样品的饱和磁化强度为9.720 emu/g，平方度比(Mr/Ms)为0.010，表明具有显著的铁磁成分[49]。室温下的矫顽力(Hc)、平方度和矫顽力值都随着样品中氧的添加而增加（表7）。随着在BPQDs合成过程中缺陷的增加，饱和磁化强度、光学性质、能带隙和导电率表现出一致的上升趋势。这种现象也在许多其他类型的量子点中观察到。使用烧结方法制备BPQDs时，观察到合成的纳米材料的饱和磁化强度明显高于表8中列出的其他量子点。这使得BPQDs在全球市场比GQDs及其复合材料更有前景。基于VSM表征，BPQDs表现出铁磁性质，使它们适用于水净化、辐射屏蔽、药物输送、磁分离以及作为扬声器、扩音器、发电机、麦克风和电动机等各种设备的组件。带隙、导电率和磁饱和度的变化表明，氧缺陷的存在增强了BPQDs的性能，这可能是由于结晶度的提高和量子限制效应[29]。图S3显示了在300°C热处理前后BPQDs的FTIR吸收光谱，处理后B-O、B–H和H–O振动峰发生了显著变化（表9）。这些变化表明BPQDs的化学成分发生了变化，强调了B–O和B–H缺陷在控制材料性能方面的重要性[29]。这些性能的改善使得合成的纳米材料在太阳能电池、自旋电子学和生物传感等应用中更加有价值[21]。

表7. 原始合成的BPQDs和在300°C热处理后的BPQDs的磁化数据
参数 室温 原始合成的BPQDs 在300°C热处理后的BPQDs
矫顽力，Hc (Oe) 292 353
饱和磁化，Ms (emu/g) 6.49 9.72
剩磁，Mr (emu/g) 0.07 0.095
饱和场强，Hs (emu/g) 800 800
对称性（Mr/Ms） 0.01 0.010

表8. 显示了原始合成的BPQDs与GQDs的磁性能比较。

纳米材料 BPQDs GQDs
直径 (nm) ...
饱和磁化，Ms (emu/g) ...
矫顽力，Hc (Oe) ...

表9. 在300°C热处理后的原始合成的BPQDs以及通过热降解烧结法制备的BPQDs的FTIR光谱
官能团 (cm-1) 原始合成的BPQDs 在300°C热处理后的BPQDs
B-B 672,85 2,963,117 1672,852,963,117
B-O 140 140 1754
B-H 204 208 259 208
B-OH 339 349 367 339
3.12. 排除样品中缺陷的影响
进一步的研究调查了氧对纳米材料磁性能的影响。实验设置旨在排除样品中的氧，相应地合成了这些材料。这些措施确保了制造过程中的稳定性，能够在需要严格真空条件的特定条件下生产BPQDs，以防止氧污染。随后在高压环境中对BPQDs进行热处理，证实了氧的存在，如图14(a)和(b)中的HRTEM图像和EDX图所示，显示出更高的硼含量和极少量的氧。图15(a)显示了无缺陷BPQDs和NaBH4的磁化光谱，其磁化值低于1 emu/g。具体而言，BPQDs的磁化为0.9 emu/g，略高于NaBH4的0.8 emu/g，表明氧缺陷对这些材料的电子状态有影响[53]。图16(b)和(c)中显示的BPQDs和NaBH4的磁滞回线没有表现出铁磁性质，表明这两种材料都是非铁磁的。这些发现强调了氧缺陷对BPQDs的光学、磁学和电子特性的显著影响，这一点从磁滞回线中可以看出[29]。观察到的非铁磁行为突显了氧缺陷在调节这些材料磁性能中的关键作用[48]。

下载：下载高分辨率图像（564KB）
下载：下载全尺寸图像
图14. （a）显示了在创建高压环境和复杂程序以防止样品中存在缺陷的情况下制备的原始合成的BPQDs的HRTEM图像；（b）显示了样品中各元素百分比的EDX图。
下载：下载高分辨率图像（505KB）
下载：下载全尺寸图像
图15. （a）显示了在创建高压环境和复杂程序以防止样品中存在缺陷的情况下制备的原始合成的BPQDs的VSM光谱；（b）显示了BPQDs在室温下的低铁磁值；（c）显示了NaBH4的磁滞回线。

3.13. 直接在500°C和700°C下一步加热NaBH4以制备BPQDs
一些样品通过将NaBH4加热到500°C和700°C各3小时来制备。图S4（a、b和c）中的HRTEM图像显示了块状NaBH4以及在500°C和700°C下直接加热的结果。如图S4（b和c）所示，这种一步法没有产生高质量的量子点，也没有完成氢化BPQDs的生成[42]。实验表明，直接将NaBH4加热到特定温度并保持特定时间一步并不会形成良好的量子点或任何量子点[16]。直接加热到500°C得到的产品不具有强铁磁性，与块状材料不同，如图16(a)所示。进一步检查图16(b)、(c)和(d)中的FTIR光谱，提供了关于材料结构的有趣见解。直接加热到500°C的样品在2091 cm?1处显示出明显的峰，这归因于B-H伸缩[29]。然而，图16(b)中对应的B–O振动峰缺失，表明在没有气流的情况下，NaBH4的分解阻碍了其在大气中的氧化，如图16(c)所示。相比之下，加热到700°C的样品明显氧化，在1171 cm?1处有峰[16]。图16(d)中也观察到2091 cm?1处的B-H伸缩峰显著减弱。数据表明，BPQDs形态中存在B-OH和B-H物种对于引发和调控磁特性至关重要[29]。B-H物种有助于增加带隙宽度，而B-O基团则通过晶格应变改变BPQDs的吸收行为[42]。当样品仅经历一次温度处理时，缺陷位点的减少会导致磁性能的淬火，从而导致铁磁特性的完全丧失[29]。因此，这强调了B-H和B-O官能团在决定量子点系统的磁、光和电子行为中的重要性，这与之前关于硼和硼烯基纳米结构的研究结果一致[16, 42]。表8总结了在300°C热处理前后BPQDs的性能，强调了引入氧缺陷后吸收、发射、带隙、导电率和饱和磁化的改善。

3.14. 将超稳定半导体BPQDs作为非易失性存储设备的可重写介质的应用
硼量子点（BPQDs）表现出优异的稳定性，并可以分散在各种溶剂中，包括超纯水、去离子水、乙醇、丙酮、甲苯、氯仿和甲醇中，使其适用于使用硼烯的纳米设备。我们使用BPQDs作为活性成分和PVP作为绝缘体制造了一种存储设备，如图17(a)（插图）所示。这种设计与磷烯、石墨烯和MoS2点设备的设计非常相似[60, 61, 62]。标准设备展示了两种稳定的电状态，如图17(a)所示，箭头指示了扫描方向。我们观察到双极电阻切换，在高电阻状态（HRS，或OFF状态）和低电阻状态（LRS，或ON状态）之间转换。最初，从0到8 V施加正电压时，在5 V时电流显著增加（步骤1）。这种从HRS到LRS的转换类似于数字存储中的写入过程。随后，设备在8到0 V之间保持LRS状态（步骤2）。当从0到-8 V施加负电压时，设备保持在LRS状态（步骤3），然后在-6.5 V时从LRS恢复到HRS（步骤4），类似于数字存储中的擦除过程。进一步的正负电压扫描证明了设备的可重写性和可擦除能力，表明BPQDs在未来的存储设备中有潜在的应用价值。为了理解BPQDs设备的电导机制，我们检查了其典型的I–V特性，如图17(a)所示。阶段（I）和（II）代表OFF状态。从0到2 V的ln(I)与V1/2的图可以线性拟合，如图17(b)所示。当BPQDs分散在PVP中时，它们充当陷阱。在低电压下，这些陷阱被填满，如图17(a)所示。线性趋势表明，电荷转移是热激活的，由电极和BPQDs–PVP层之间的显著势垒驱动。在2到5 V之间，电荷传输机制符合陷阱控制的空间电荷限制（SCLC）模型，其中电荷从PVP迁移到BPQDs，并因它们的能量水平低于PVP而将其捕获。根据SCLC模型，BPQDs中的自由载流子少于陷阱中的载流子。随后，在阶段（II）中，电流随电压的非线性增加而增加，其斜率为2.13，如图17(c)所示。在这个阶段，随着电压的升高，所有陷阱都被填满，导致设备活性层中的电子数量增加。

下载：下载高分辨率图像（733KB）
下载：下载全尺寸图像
图17. （a）基于BPQD-PVP的设备的I-V曲线分析。（b）阶段I（OFF状态）的实验数据拟合线；（c）阶段II（电阻切换状态）；（d）阶段IV（ON状态）；（e）在2V时BPQD-PVP存储器的保持性测量
在阶段III中，随着电压接近工作水平，注入活性层的载流子浓度迅速增加，形成导电通道，其斜率约为245.3，表明电子浓度较高。这些通道的出现触发设备从高电阻状态（HRS）转换为低电阻状态（LRS）。随后，由于活性层中的电子耗尽而产生内部电场。相反，如图17(d)所示，在ON状态（阶段IV）中的电流-电压关系表现出欧姆导电，斜率约为1.21，表明在单电子转移（SET）过程中形成了纤维状路径。由于PVP是绝缘材料，当设备关闭时，BPQDs中的捕获电荷不会 dissipate，赋予设备高导电性和非易失性[63]。当施加反向电场时，电荷迅速中和或释放，消除内部电场，设备在完整周期后恢复到HRS状态，从而启动数据擦除过程。图17(e)显示了设备随时间的长期稳定性。在5000秒的保持时间内没有观察到显著电流波动，设备在2 V的读取电压下保持ON/OFF电流高于5.0 x 10^4，表明其稳定性优异。该设备在非常低的切换电压（低至5 V）下运行，可能适用于需要低能耗的高级存储设备。这种在存储设备中应用BPQDs的可重复性在补充信息的图S5中显示。

4. 结论
本研究重点研究了通过优化生产参数和热处理条件对硼烯量子点（BPQDs）的缺陷工程。研究了与缺陷相关的发射、吸收、电性能和磁化特性。开发了一种通过在空气中精确控制NaBH4的三步热分解来生产稳定结晶半导体BPQDs的方法。合成过程中引入了氧缺陷，这些缺陷对于调节纳米材料的电、磁和光学性能至关重要。分析确定了影响电子、磁和光学特性的硼-氧（B–O）和硼氢化物（B–H）基团，使它们在生物传感、自旋电子学和药物输送应用中具有价值。VSM测量显示BPQDs具有强铁磁性，这归因于缺陷诱导的电子修饰，这些修饰在信息存储、水净化和磁分离方面非常有用。通过电流-电压测量确认了电导率，结果显示由于缺陷的引入，电导率得到了改善，这对于低温环境中的传感器和改善电子设备的热管理有益。逐渐的热处理强调了最佳缺陷密度和组成的重要性，因为单步处理未能达到所需的磁性能。B–O官能团与B–H官能团的结合对于确定材料的光学、电学和磁学特性（包括铁磁行为）至关重要。此外，利用BPQDs制备的存储器件显示出其在电池阳极、超级电容器、气体传感、催化以及潜在的超导性等实际应用中的潜力。所合成的BPQDs是一种新型的零维材料，具有坚固的结构，能够抵抗恶劣的化学环境，这与理论预测的光学带隙特性相吻合。这些特性使它们适用于自旋电子学、光电子学、纳米电子学、生物传感、生物医药、药物传递、氢储存、能量储存和辐射屏蔽等领域。研究表明，基于硼烯的低维系统由于其优良的光学、电学和磁学性能，可以有效地应用于实际场景。

**作者贡献声明**
Pavel Y. Tabakov：撰写——审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、资源管理、实验设计、资金申请、概念构思。
Mufutau Amobi Adebisi：撰写——初稿撰写、数据可视化、软件开发、项目管理、研究方法设计、数据分析、概念构思。

**利益冲突声明**
“不存在需要声明的利益冲突。”

**数据可用性**
数据将在收到请求后提供。

**资金声明**
“作者没有需要声明的资金来源。”