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硼的同素異形體

一月 14, 2023

硼有多種同素異形體，包括晶体和无定形体。現已知（已製備）的結晶狀硼有α菱面体硼晶、β菱面体硼晶以及β四方硼晶；此外，在某些特定情況下，α四方硼晶、γ正交硼晶等同素異形體結構也能被製備出來。非結晶體的形式有兩種已知，一種為精細粉末，另外一種為玻璃狀的固體[1][2]。雖然有至少14種甚至更多的硼同素異形體被發表出來，但是這些被發現的組成卻是根據不足的證據、沒有經過實驗確認、被認為是混合的同素異形體或是含有雜質來穩定其硼的結構[3][2][4][5]。而硼以β菱面体硼晶形式存在者是最穩定的，其餘次之，所以在室溫下的轉化率低下，也因此五個不同型態能夠在室溫下共存。非結晶粉末狀硼和多晶體的β菱面体硼晶最為相似，後者是一種堅硬的[注 1]灰料，重量卻比鋁還要輕上十個百分點，其熔點（2080 °C）比鋼高幾百度[6]。

非晶體硼粉末
硼(可能混合同素異形體)

元素態的硼能在星塵及隕石找到，但卻不存在於地球上含氧量高的環境。因為它不容易從其化合物中被萃取出來。早先的萃取方法包含將三氧化二硼以如鎂 或 鋁的晶屬還原。但是，此方法產物容易混雜其餘金屬硼化物。現今硼純化是在高溫下以氫還原揮發性鹵化硼[7][8]。而半導體產業是用之非常純的硼之製備，是在高溫下以區熔或是柴可拉斯基法分解乙硼烷[9]。從純硼中製備硼單晶則更加困難，原因是多態现象以及硼傾向與杂质反應；典型的晶體大小為~0.1 mm[10]。

理化性质概要

硼的型態 α-R α-T β-R β-T γ 非結晶體
粉末
玻璃狀
對稱 三方晶系 四方晶系 三方晶系 四方晶系 正交晶系 半隨機 半隨機
發生率 常見 特別 常見 常見 特別
原子/晶胞大小[11] 12 50 105‒108 192 28
密度（g/cm3）[1] 2.46 2.29‒2.39[12] 2.35 2.36 2.52 1.73 2.34–35
維氏硬度試驗（GPa）[13][14] 42 45 50–58
體積模量（GPa）[14][15] 224 184 227
能隙（eV） 2[16] 1.6[17] ~2.6[18] 2.1[14] 0.56–0.71[19]
顏色 晶體為明亮的紅色[20] 黑色及不透明, 有金屬光澤[21] 深色至閃亮的銀灰色[1][2] 黑/紅[注 2][22] 深灰色[23] 黑色至棕色[注 3] 不透明的黑色[1]
發表時間[24] 1958 1943/1973[注 4] 1957 1960 2009 1808 1911[25][26]
  •  

    硼相圖的截取（α 和 β 是菱面体結構；T 是β-四方硼晶）[11][注 5]

  •  

    α-R 硼的結構

  •  

    β-R 硼的結構

  •  

    γ 硼的結構

α菱面体硼晶

α菱面体硼晶是含有12個硼原子的單胞體。這些B
12的單胞體結構上為每一個單胞體與鄰近的五個單胞體結合的正二十面體結構 。如果這些鍵結是常規下的共價鍵，則每個硼貢獻出五個電子。但是硼只有三個價電子，所以科學家們認為B
12正二十面体是由3-中心電子缺乏鍵結形成的，意思為電子電荷會累積在三個鄰近原子構成的三角形中心[15]。

單一的 B
12 正二十面體不穩定；雖然硼並非分子化合物，但是它卻含有（非常規的）共價鍵。

α四方硼晶

純α四方硼晶的合成只能在等向性碳化硼（B50C2）或氮化物（B50N2）的底層基質板上發生，α四方硼晶會沉積在比層基質板上形成一層薄膜[1]。而大部分α四方硼晶的合成實例[27]發生在富含硼的碳化物或氮化物[28][29]。

β菱面体硼晶

β菱面体硼晶為含有105-108个硼原子的單胞體。大多數的原子組成 B12 離散二十面體；少數組成部分相互貫穿的二十面體，其中包含兩個三角面多面體型的B10單元，以及一個中心硼原子[30]。在以前，研究者不甚明瞭在普通環境下α或β兩個結構何者才是最穩定態，但後來對此漸漸取得了共識，β結構於熱力學上為最穩定的同素異形體[11][31][32]。

β四方硼晶

1960年，科學家在攝氏溫度1270–1550 °C環境下於熱鎢絲、錸絲或鉭絲上以氫還原BBr3（即化學氣相沉積）合成了β四方硼晶[33]。後來的研究更重新進行了此合成並確認產物中没有杂质[34][35][36][37]。

γ-硼晶

 
γ-硼：文托夫的X-光繞射數據[38]（下）與現代數據（上）比較[11]

此γ-態為一種像氯化鈉的晶體排列著的B12二十面體及B2兩種形式原子。可藉由壓縮別種型態的硼至12–20 GPa和加熱到1500–1800 °C而生成，並在環境下維持穩定[11][14]。證據證明在這種結構中有明顯的電荷從B2原子對移轉至B12二十面體[11]，由晶格動力學也可推测出此種顯著的遠距離靜電相互作用。

文托夫於1965年發表此態的硼[38][39]，然而此硼的結構與化學組成皆不確定。其結構是通过“從頭計演算法”晶體結構預測計算[11]後再以X射線晶體學手段确认的[14]。

立方體硼

Sullenger等在1969年[34]以及 McConville 等在1976年[40]中階發表了此種於氩等离子實驗中觀察到的立方體硼同素異形體。此立方體硼為含有1705±3個原子，密度為2.367 g/cm3的單胞晶體。雖然這種同素異形體偶爾會在文獻中被提及到[41]，但是沒有後續的正式出版、研究確認或是任何證據否決這種同素異形體的存在。多諾霍于1982年提到[42] 這種單胞晶體內的的原子數量不顯示它與正二十面體相關（正二十面體是硼同素異形體共同的結構形狀）。

高壓超導態

將硼加壓至超過160 GPa會產生一種尚未明瞭的型態。 與其他型態不同，這種硼不是半導體，而是金屬，並且有超導現象，臨界溫度在160 GPa 下为4 K、250 GPa 時上升到11 K[43]。這種壓力下的結構轉變發生在理論預測的二十面體分解時[44]。揣測下的結構狀態包含面心立方（類似於Al），α-Ga，和體心四方（類似於In）[45]。它也被認為其非金屬-金屬的轉變和碘的轉變一樣，是一個簡單的能隙關閉的結果，而非結構的轉變[46]。

硼球烯

這種似球形的同素異形體分子硼球烯（B40）於2014年七月被發表[47]。

非晶體硼

非晶體硼包括B12 二十面體，會沒有固定順序的互相隨機結合[48]。 純的非晶體硼以再1000 °C以下熱分解乙硼烷生成。在1000 °C 時以退火處理會將非晶體硼轉變為β菱面体硼晶[49]。非晶體硼的奈米線（直径30-60 nm）[50] 或纖維[51]可由濺渡沉積和雷射輔助化學氣相沉積製備；也可經由1000 °C退火處理轉變為β菱面体硼晶奈米線[50]。

注释

  1. ^ 維氏硬度試驗 comparable to that of cubic 氮化硼
  2. ^ Black when viewed by reflected light; red by transmitted light
  3. ^ High purity amorphous boron powder is black whereas impure samples have a brown appearance: Lidin R. A. (1996). Inorganic substances handbook. New York: Begell House. p. 22; Zenkov, V. S. Adsorption-chemical activity of finely-dispersed amorphous powders of brown and black boron used in synthesizing metal borides. Powder Metallurgy and Metal Ceramics. 2006, 45 (5–6): 279–282 (279). doi:10.1007/s11106-006-0076-z. ; Loryan, V. E.; Borovinskaya, I. P.; Merzhanov, A. G. On combustion of boron in nitrogen gas. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2011, 20 (3): 153–155. doi:10.3103/S106138621103006X. ; Kanel, G. I.; Utkin, A. V.; Razorenov, S. V. Rate of the energy release in high explosives containing nano-size boron particles (PDF). Central European Journal of Energetic Materials. 2009, 6 (1): 15–30 (18) [2015-01-17]. （原始内容 (PDF)于2014-08-12）. 
  4. ^ 1943 was when the supposed structure was first reported; 1973 was when it was first reported that pure α-tetragonal boron can only be synthesized as thin layers deposited on an underlying substrate of isotropic boron carbide or nitride: Kunzmann, P. M. (1973). Structural studies on the crystal chemistry of icosahedral boron framework structure derivatives. PhD thesis. Cornell University; Amberger, E. (1981). "Elemental boron". In Buschbeck, K. C.. Gmelin handbook of inorganic and organometallic chemistry: B Boron, Supplement 2 (8th ed.). Berlin: Springer-Verlag. pp. 1–112 (60–61). ISBN 3-540-93448-0.
  5. ^ Other (different) phase diagrams have been reported:, Shirai, K. Electronic structures and mechanical properties of boron and boron-rich crystals (part 2). Journal of Superhard Materials. 2010, 2 (5): 336–345 (337). doi:10.3103/S1063457610050059. ; Parakhonskiy, G.; Dubrovinskaia, N.; Bykova, E.; Wirth, R.; Dubrovinsky, L. Experimental pressure-temperature phase diagram of boron: resolving the long-standing enigma. Scientific Reports. 2011, 1 (96): 1–7 (2). Bibcode:2011NatSR...1E..96P. doi:10.1038/srep00096. 

引用

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 Wiberg 2001，第930頁.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 Housecroft & Sharpe 2008，第331頁.
  3. ^ Donohue 1982，第48頁.
  4. ^ Lundström, T. The solubility in the various modifications of boron. Zuckerman, J. J.; Hagen, A. P. (编). Inorganic reactions and methods. Vol. 13: The formation of bonds to group-I, -II, and -IIIB elements. New York: John Wiley & Sons: 196–97. 2009. ISBN 0-470-14549-8. 
  5. ^ Oganov et al. 2009，第863頁.
  6. ^ D. R. Lide (ed). Section 4, Properties of the Elements and Inorganic Compounds; Melting, boiling, and critical temperatures of the elements. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 84th Edition. Boca Raton, Florida: CRC Press. 2003. 
  7. ^ D. R. Stern; Lynds, Lahmer. High-Purity Crystalline Boron. Journal of the Electrochemical Society. 1958, 105 (11): 676. doi:10.1149/1.2428689. 
  8. ^ A. W. Laubengayer; D. T. Hurd; A. E. Newkirk; J. L. Hoard. Boron. I. Preparation and properties of pure crystalline boron. Journal of the American Chemical Society. 1943, 65 (10): 1924. doi:10.1021/ja01250a036. 
  9. ^ L. I. Berger. Semiconductor materials. CRC Press. 1996: 37–43. ISBN 0-8493-8912-7. 
  10. ^ Will & Kiefer 2001.
  11. ^ 11.0 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 Oganov et al. 2009.
  12. ^ Amberger 1981，第60頁.
  13. ^ V. L. Solozhenko, O. O. Kurakevych and A. R. Oganov. On the hardness of a new boron phase, orthorhombic γ-B28. Journal of Superhard Materials. 2008, 30 (6): 428–429. doi:10.3103/S1063457608060117. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 14.3 14.4 Zarechnaya et al. 2009.
  15. ^ 15.0 15.1 Nelmes et al. 1993.
  16. ^ Madelung 1983，第10頁.
  17. ^ Madelung 1983，第11頁.
  18. ^ Kumashiro, Y (编). Boron and boron-rich compounds. Electric Refractory Materials. New York: Marcel Dekker. 2000: 589‒654 (633, 635). ISBN 0-8247-0049-X. 
  19. ^ Madelung 1983，第12頁.
  20. ^ Donohue 1982，第57頁.
  21. ^ Hoard, J. L.; Hughes, R. E. Chapter 2: Elementary boron and compounds of high boron content: Structure, properties and polymorphism. Muetterties, E. L. (编). The chemistry of boron and its compounds. New York: John Wiley & Sons. 1967: 25–154 (29, 82). 
  22. ^ Donohue 1982，第78頁.
  23. ^ Oganov et al. 2009，第863–64頁.
  24. ^ Donohue 1982，第48, 57, 61頁.
  25. ^ Weintraub, E. On the properties and preparation of the element boron. The Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 1911, 3 (5): 299–301 (299). doi:10.1021/ie50029a007. Both in appearance and in its curved conchoidal fracture the lump and the broken-up pieces most nearly resemble 黑鑽石 ... with an amorphous structure. 
  26. ^ Laubengayer, A. W.; Brandaur, A. E.; Brandaur, R. L. Progress in the preparation and determination of the properties of boron. Journal of Chemical Education. 1942, 19 (8): 382–85. Bibcode:1942JChEd..19..382L. doi:10.1021/ed019p382. Boron ... shows a considerable tendency to assume the vitreous condition ... Volatile compounds of boron such as the halides and the hydrides have been decomposed by passing their vapors through an arc or by bringing them in contact with a hot surface or filament. Boron of high purity is reported procurable by this method, but it is either a very fine powder or of vitreous structure. 
  27. ^ J. L. Hoard; R. E. Hughes; D. E. Sands. The Structure of Tetragonal Boron. Journal of the American Chemical Society. 1958, 80 (17): 4507. doi:10.1021/ja01550a019. 
  28. ^ Hoard, Sullenger & Kennard 1970.
  29. ^ Amberger 1981，第61頁.
  30. ^ Wiberg 2001，第931頁.
  31. ^ van Setten M.J., Uijttewaal M.A., de Wijs G.A., de Groot R.A. Thermodynamic stability of boron: The role of defects and zero point motion. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129 (9): 2458–2465. PMID 17295480. doi:10.1021/ja0631246. 
  32. ^ Widom M., Mihalkovic M. Symmetry-broken crystal structure of elemental boron at low temperature. Phys. Rev. B. 2008, 77 (6): 064113. Bibcode:2008PhRvB..77f4113W. arXiv:0712.0530  . doi:10.1103/PhysRevB.77.064113. 
  33. ^ Talley, La Placa & Post 1960.
  34. ^ 34.0 34.1 Sullenger et al. 1969.
  35. ^ E. Amberger and K. Ploog. Bildung der gitter des reinen bors. J. Less-Common Metals. 1971, 23: 21. doi:10.1016/0022-5088(71)90004-X. 
  36. ^ K. Ploog and E. Amberger. Kohlenstoff-induzierte gitter beim bor: I-tetragonales (B12)4B2C und (B12)4B2C2. J. Less-Common Metals. 1971, 23: 33. doi:10.1016/0022-5088(71)90005-1. 
  37. ^ M. Vlasse, R. Naslain, J. S. Kasper, K. Ploog. Crystal structure of tetragonal boron related to α-AlB12. Journal of Solid State Chemistry. 1979, 28 (3): 289. Bibcode:1979JSSCh..28..289V. doi:10.1016/0022-4596(79)90080-X. 
  38. ^ 38.0 38.1 Wentorf 1965.
  39. ^ Zarechnaya, E.Y.; Dubrovinsky, L.; Dubrovinskaia, N.; Miyajima, N.; Filinchuk, Y.; Chernyshov, D.; Dmitriev, V. Synthesis of an orthorhombic high pressure boron phase. Science and Technology of Advanced Materials (free download). 2008, 9 (4): 044209‒12. Bibcode:2008STAdM...9d4209Z. doi:10.1088/1468-6996/9/4/044209. 
  40. ^ McConville, G. T.; Sullenger, D. B.; Zielinski, R. E.; Gubser, D. U.; Sands, D. E.; Cantrell, J. S. Some physical properties of cubic boron. Physics Letters A. 1976, 58 (4): 257‒259. Bibcode:1976PhLA...58..257M. doi:10.1016/0375-9601(76)90091-8. 
  41. ^ Amberger 1981，第21, 27, 74頁.
  42. ^ Donohue 1982，第80頁.
  43. ^ M. I. Eremets; et al. Superconductivity in Boron. Science. 2001, 293 (5528): 272–4. Bibcode:2001Sci...293..272E. PMID 11452118. doi:10.1126/science.1062286. 
  44. ^ C. Mailhiot, J. B. Grant, and A. K. McMahan. High-pressure metallic phases of boron. Phys. Rev. B. 1990, 42 (14): 9033. Bibcode:1990PhRvB..42.9033M. doi:10.1103/PhysRevB.42.9033. 
  45. ^ Polian, A; Ovsyannikov, S. V.; Gauthier, M; Munsch, M; Chervin, J-C; Lemarchand, G. Boron and boron-rich solids at high pressures. Boldyreva, E; Dera, P (编). High-pressure crystallography: From fundamental phenomena to technological applications: Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on High-Pressure Crystallography: Advanced Armor Materials and Protection from Explosives, Erice, Italy, 4‒14 June 2009. Dordrecht: Springer Science+Business Media: 241‒250 (242). 2010. ISBN 978-90-481-9257-1. 
  46. ^ Zhao, J.; Lu, J. P. Pressure-induced metallization in solid boron. Physical Review B: 092101 to 092105. Bibcode:2002PhRvB..66i2101Z. arXiv:cond-mat/0109550  . doi:10.1103/PhysRevB.66.092101. 
  47. ^ Zhai, Hua-Jin; Ya-Fan Zhao, Wei-Li Li, Qiang Chen, Hui Bai, Han-Shi Hu, Zachary A. Piazza, Wen-Juan Tian, Hai-Gang Lu, Yan-Bo Wu, Yue-Wen Mu, Guang-Feng Wei, Zhi-Pan Liu, Jun Li, Si-Dian Li, Lai-Sheng Wang. Observation of an all-boron fullerene. Nature Chemistry. 2014-07-13,. advance online publication [2014-08-13]. ISSN 1755-4349. doi:10.1038/nchem.1999. 
  48. ^ Delaplane, R.G.; Dahlborg, U.; Howells, W. S.; Lundström, T. A neutron diffraction study of amorphous boron using a pulsed source. Journal of Non-Crystalline Solids. 1988, 106 (1–3): 66–69. Bibcode:1988JNCS..106...66D. doi:10.1016/0022-3093(88)90229-3. 
  49. ^ J. S. Gillespie Jr. Crystallization of Massive Amorphous Boron. J. Am. Chem. Soc. 1966, 88 (11): 2423. doi:10.1021/ja00963a011. 
  50. ^ 50.0 50.1 Wang & Duan 2003.
  51. ^ S. Johansson; et al. Microfabrication of three-dimensional boron structures by laser chemical processing. J. Appl. Phys. 1992, 72 (12): 5956. Bibcode:1992JAP....72.5956J. doi:10.1063/1.351904. 

參考文獻

  • Amberger, E. Elemental boron. Buschbeck, K. C. (编). Gmelin handbook of inorganic and organometallic chemistry: B Boron, Supplement 2 8th. Berlin: Springer-Verlag. 1981: 1–112. ISBN 3-540-93448-0. 
  • Donohue, J. The structures of the elements. Malabar, Florida: Robert E. Krieger. 1982. ISBN 0-89874-230-7. 
  • Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. Inorganic chemistry 3rd. Harlow: Pearson Education. 2008. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  • Madelung, O. Landolt-Bornstein numerical data and functional relationships in science and technology. New series. Group III. Volume 17: Semiconductors. Subvolume e: Physics of non-tetrahedrally bonded elements and binary compounds I. Springer-Verlag: New York. 1983. ISBN 0-387-11780-6. 
  • Nelmes, R. J.; Loveday, J. S.; Allan, D. R.; Besson, J. M.; Hamel, G.; Grima, P.; Hull, S. Neutron- and x-ray-diffraction measurements of the bulk modulus of boron. Physical Review B. 1993, 47 (13): 7668–7673. Bibcode:1993PhRvB..47.7668N. doi:10.1103/PhysRevB.47.7668. 
  • Oganov, A. R.; Chen, J.; Ma, Y.; Glass, C. W.; Yu, Z.; Kurakevych, O. O.; Solozhenko, V. L. Ionic high-pressure form of elemental boron. Nature. 12 Feb, 457 (7027): 863–868. Bibcode:2009Natur.457..863O. PMID 19182772. arXiv:0911.3192  . doi:10.1038/nature07736. 
  • Sullenger, D. B.; Phipps, K. D.; Seabaugh, P. W.; Hudgens, C. R.; Sands, D. E.; Cantrell, J. S. Boron modifications produced in an induction-coupled argon plasma. Science. 1969, 163 (3870): 935‒937. Bibcode:1969Sci...163..935S. doi:10.1126/science.163.3870.935. 
  • Talley, C. P.; La Placa, S.; Post, B. A new polymorph of boron. Acta Crystallographica. 1960, 13 (3): 271‒2. doi:10.1107/S0365110X60000613. 
  • Wang, Y. Q.; Duan, X. F. Crystalline boron nanowires. Applied Physics Letters. 2003, 82 (2): 272. Bibcode:2003ApPhL..82..272W. doi:10.1063/1.1536269. 
  • Wentorf, R. H. Boron: Another form. Science. 1965, 147 (3653): 49–50. Bibcode:1965Sci...147...49W. PMID 17799779. doi:10.1126/science.147.3653.49. 
  • Wiberg, N. Inorganic chemistry. San Diego: Academic Press. 2001. ISBN 0-12-352651-5. 
  • Will, G.; Kiefer, B. Electron deformation density in rhombohedral α-boron. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 2001, 627 (9): 2100‒104. doi:10.1002/1521-3749(200109)627:9<2100::AID-ZAAC2100>3.0.CO;2-G. 
  • Zarechnaya, E. Y.; Dubrovinsky, L.; Dubrovinskaia, N.; Filinchuk, Y.; Chernyshov, D.; Dmitriev, V.; Miyajima, N.; El Goresy, A.; et al. Superhard semiconducting optically transparent high pressure phase of boron. Physical Review Letters. 2009, 102 (18): 185501‒4. Bibcode:2009PhRvL.102r5501Z. PMID 19518885. doi:10.1103/PhysRevLett.102.185501. 

一月 14, 2023
硼的同素異形體, 硼有多種同素異形體, 包括晶体和无定形体, 現已知, 已製備, 的結晶狀硼有α菱面体硼晶, β菱面体硼晶以及β四方硼晶, 此外, 在某些特定情況下, α四方硼晶, γ正交硼晶等同素異形體結構也能被製備出來, 非結晶體的形式有兩種已知, 一種為精細粉末, 另外一種為玻璃狀的固體, 雖然有至少14種甚至更多的硼同素異形體被發表出來, 但是這些被發現的組成卻是根據不足的證據, 沒有經過實驗確認, 被認為是混合的同素異形體或是含有雜質來穩定其硼的結構, 而硼以β菱面体硼晶形式存在者是最穩定的, 其餘次之,. 硼有多種同素異形體 包括晶体和无定形体 現已知 已製備 的結晶狀硼有a菱面体硼晶 b菱面体硼晶以及b四方硼晶 此外 在某些特定情況下 a四方硼晶 g正交硼晶等同素異形體結構也能被製備出來 非結晶體的形式有兩種已知 一種為精細粉末 另外一種為玻璃狀的固體 1 2 雖然有至少14種甚至更多的硼同素異形體被發表出來 但是這些被發現的組成卻是根據不足的證據 沒有經過實驗確認 被認為是混合的同素異形體或是含有雜質來穩定其硼的結構 3 2 4 5 而硼以b菱面体硼晶形式存在者是最穩定的 其餘次之 所以在室溫下的轉化率低下 也因此五個不同型態能夠在室溫下共存 非結晶粉末狀硼和多晶體的b菱面体硼晶最為相似 後者是一種堅硬的 注 1 灰料 重量卻比鋁還要輕上十個百分點 其熔點 2080 C 比鋼高幾百度 6 非晶體硼粉末 硼 可能混合同素異形體 元素態的硼能在星塵及隕石找到 但卻不存在於地球上含氧量高的環境 因為它不容易從其化合物中被萃取出來 早先的萃取方法包含將三氧化二硼以如鎂 或 鋁的晶屬還原 但是 此方法產物容易混雜其餘金屬硼化物 現今硼純化是在高溫下以氫還原揮發性鹵化硼 7 8 而半導體產業是用之非常純的硼之製備 是在高溫下以區熔或是柴可拉斯基法分解乙硼烷 9 從純硼中製備硼單晶則更加困難 原因是多態现象以及硼傾向與杂质反應 典型的晶體大小為 0 1 mm 10 目录 1 理化性质概要 2 a菱面体硼晶 3 a四方硼晶 4 b菱面体硼晶 5 b四方硼晶 6 g 硼晶 7 立方體硼 8 高壓超導態 9 硼球烯 10 非晶體硼 11 注释 12 引用 13 參考文獻理化性质概要 编辑硼的型態 a R a T b R b T g 非結晶體粉末 玻璃狀對稱 三方晶系 四方晶系 三方晶系 四方晶系 正交晶系 半隨機 半隨機發生率 常見 特別 常見 常見 特別原子 晶胞大小 11 12 50 105 108 192 28密度 g cm3 1 2 46 2 29 2 39 12 2 35 2 36 2 52 1 73 2 34 35維氏硬度試驗 GPa 13 14 42 45 50 58體積模量 GPa 14 15 224 184 227能隙 eV 2 16 1 6 17 2 6 18 2 1 14 0 56 0 71 19 顏色 晶體為明亮的紅色 20 黑色及不透明 有金屬光澤 21 深色至閃亮的銀灰色 1 2 黑 紅 注 2 22 深灰色 23 黑色至棕色 注 3 不透明的黑色 1 發表時間 24 1958 1943 1973 注 4 1957 1960 2009 1808 1911 25 26 硼相圖的截取 a 和 b 是菱面体結構 T 是b 四方硼晶 11 注 5 a R 硼的結構 b R 硼的結構 g 硼的結構a菱面体硼晶 编辑a菱面体硼晶是含有12個硼原子的單胞體 這些B12 的單胞體結構上為每一個單胞體與鄰近的五個單胞體結合的正二十面體結構 如果這些鍵結是常規下的共價鍵 則每個硼貢獻出五個電子 但是硼只有三個價電子 所以科學家們認為B12 正二十面体是由3 中心電子缺乏鍵結形成的 意思為電子電荷會累積在三個鄰近原子構成的三角形中心 15 單一的 B12 正二十面體不穩定 雖然硼並非分子化合物 但是它卻含有 非常規的 共價鍵 a四方硼晶 编辑純a四方硼晶的合成只能在等向性碳化硼 B50C2 或氮化物 B50N2 的底層基質板上發生 a四方硼晶會沉積在比層基質板上形成一層薄膜 1 而大部分a四方硼晶的合成實例 27 發生在富含硼的碳化物或氮化物 28 29 b菱面体硼晶 编辑b菱面体硼晶為含有105 108个硼原子的單胞體 大多數的原子組成 B12 離散二十面體 少數組成部分相互貫穿的二十面體 其中包含兩個三角面多面體型的B10單元 以及一個中心硼原子 30 在以前 研究者不甚明瞭在普通環境下a或b兩個結構何者才是最穩定態 但後來對此漸漸取得了共識 b結構於熱力學上為最穩定的同素異形體 11 31 32 b四方硼晶 编辑1960年 科學家在攝氏溫度1270 1550 C環境下於熱鎢絲 錸絲或鉭絲上以氫還原BBr3 即化學氣相沉積 合成了b四方硼晶 33 後來的研究更重新進行了此合成並確認產物中没有杂质 34 35 36 37 g 硼晶 编辑 g 硼 文托夫的X 光繞射數據 38 下 與現代數據 上 比較 11 此g 態為一種像氯化鈉的晶體排列著的B12二十面體及B2兩種形式原子 可藉由壓縮別種型態的硼至12 20 GPa和加熱到1500 1800 C而生成 並在環境下維持穩定 11 14 證據證明在這種結構中有明顯的電荷從B2原子對移轉至B12二十面體 11 由晶格動力學也可推测出此種顯著的遠距離靜電相互作用 文托夫於1965年發表此態的硼 38 39 然而此硼的結構與化學組成皆不確定 其結構是通过 從頭計演算法 晶體結構預測計算 11 後再以X射線晶體學手段确认的 14 立方體硼 编辑Sullenger等在1969年 34 以及 McConville 等在1976年 40 中階發表了此種於氩等离子實驗中觀察到的立方體硼同素異形體 此立方體硼為含有1705 3個原子 密度為2 367 g cm3的單胞晶體 雖然這種同素異形體偶爾會在文獻中被提及到 41 但是沒有後續的正式出版 研究確認或是任何證據否決這種同素異形體的存在 多諾霍于1982年提到 42 這種單胞晶體內的的原子數量不顯示它與正二十面體相關 正二十面體是硼同素異形體共同的結構形狀 高壓超導態 编辑將硼加壓至超過160 GPa會產生一種尚未明瞭的型態 與其他型態不同 這種硼不是半導體 而是金屬 並且有超導現象 臨界溫度在160 GPa 下为4 K 250 GPa 時上升到11 K 43 這種壓力下的結構轉變發生在理論預測的二十面體分解時 44 揣測下的結構狀態包含面心立方 類似於Al a Ga 和體心四方 類似於In 45 它也被認為其非金屬 金屬的轉變和碘的轉變一樣 是一個簡單的能隙關閉的結果 而非結構的轉變 46 硼球烯 编辑這種似球形的同素異形體分子硼球烯 B40 於2014年七月被發表 47 非晶體硼 编辑非晶體硼包括B12 二十面體 會沒有固定順序的互相隨機結合 48 純的非晶體硼以再1000 C以下熱分解乙硼烷生成 在1000 C 時以退火處理會將非晶體硼轉變為b菱面体硼晶 49 非晶體硼的奈米線 直径30 60 nm 50 或纖維 51 可由濺渡沉積和雷射輔助化學氣相沉積製備 也可經由1000 C退火處理轉變為b菱面体硼晶奈米線 50 注释 编辑 維氏硬度試驗 comparable to that of cubic 氮化硼 Black when viewed by reflected light red by transmitted light High purity amorphous boron powder is black whereas impure samples have a brown appearance Lidin R A 1996 Inorganic substances handbook New York Begell House p 22 Zenkov V S Adsorption chemical activity of finely dispersed amorphous powders of brown and black boron used in synthesizing metal borides Powder Metallurgy and Metal Ceramics 2006 45 5 6 279 282 279 doi 10 1007 s11106 006 0076 z Loryan V E Borovinskaya I P Merzhanov A G On combustion of boron in nitrogen gas International Journal of Self Propagating High Temperature Synthesis 2011 20 3 153 155 doi 10 3103 S106138621103006X Kanel G I Utkin A V Razorenov S V Rate of the energy release in high explosives containing nano size boron particles PDF Central European Journal of Energetic Materials 2009 6 1 15 30 18 2015 01 17 原始内容存档 PDF 于2014 08 12 1943 was when the supposed structure was first reported 1973 was when it was first reported that pure a tetragonal boron can only be synthesized as thin layers deposited on an underlying substrate of isotropic boron carbide or nitride Kunzmann P M 1973 Structural studies on the crystal chemistry of icosahedral boron framework structure derivatives PhD thesis Cornell University Amberger E 1981 Elemental boron In Buschbeck K C Gmelin handbook of inorganic and organometallic chemistry B Boron Supplement 2 8th ed Berlin Springer Verlag pp 1 112 60 61 ISBN 3 540 93448 0 Other different phase diagrams have been reported Shirai K Electronic structures and mechanical properties of boron and boron rich crystals part 2 Journal of Superhard Materials 2010 2 5 336 345 337 doi 10 3103 S1063457610050059 Parakhonskiy G Dubrovinskaia N Bykova E Wirth R Dubrovinsky L Experimental pressure temperature phase diagram of boron resolving the long standing enigma Scientific Reports 2011 1 96 1 7 2 Bibcode 2011NatSR 1E 96P doi 10 1038 srep00096 引用 编辑 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 Wiberg 2001 第930頁 2 0 2 1 2 2 Housecroft amp Sharpe 2008 第331頁 Donohue 1982 第48頁 Lundstrom T The solubility in the various modifications of boron Zuckerman J J Hagen A P 编 Inorganic reactions and methods Vol 13 The formation of bonds to group I II and IIIB elements New York John Wiley amp Sons 196 97 2009 ISBN 0 470 14549 8 Oganov et al 2009 第863頁 D R Lide ed Section 4 Properties of the Elements and Inorganic Compounds Melting boiling and critical temperatures of the elements CRC Handbook of Chemistry and Physics 84th Edition Boca Raton Florida CRC Press 2003 D R Stern Lynds Lahmer High Purity Crystalline Boron Journal of the Electrochemical Society 1958 105 11 676 doi 10 1149 1 2428689 A W Laubengayer D T Hurd A E Newkirk J L Hoard Boron I Preparation and properties of pure crystalline boron Journal of the American Chemical Society 1943 65 10 1924 doi 10 1021 ja01250a036 L I Berger Semiconductor materials CRC Press 1996 37 43 ISBN 0 8493 8912 7 Will amp Kiefer 2001 11 0 11 1 11 2 11 3 11 4 11 5 11 6 Oganov et al 2009 Amberger 1981 第60頁 V L Solozhenko O O Kurakevych and A R Oganov On the hardness of a new boron phase orthorhombic g B28 Journal of Superhard Materials 2008 30 6 428 429 doi 10 3103 S1063457608060117 14 0 14 1 14 2 14 3 14 4 Zarechnaya et al 2009 15 0 15 1 Nelmes et al 1993 Madelung 1983 第10頁 Madelung 1983 第11頁 Kumashiro Y 编 Boron and boron rich compounds Electric Refractory Materials New York Marcel Dekker 2000 589 654 633 635 ISBN 0 8247 0049 X Madelung 1983 第12頁 Donohue 1982 第57頁 Hoard J L Hughes R E Chapter 2 Elementary boron and compounds of high boron content Structure properties and polymorphism Muetterties E L 编 The chemistry of boron and its compounds New York John Wiley amp Sons 1967 25 154 29 82 Donohue 1982 第78頁 Oganov et al 2009 第863 64頁 Donohue 1982 第48 57 61頁 Weintraub E On the properties and preparation of the element boron The Journal of Industrial and Engineering Chemistry 1911 3 5 299 301 299 doi 10 1021 ie50029a007 Both in appearance and in its curved conchoidal fracture the lump and the broken up pieces most nearly resemble 黑鑽石 with an amorphous structure Laubengayer A W Brandaur A E Brandaur R L Progress in the preparation and determination of the properties of boron Journal of Chemical Education 1942 19 8 382 85 Bibcode 1942JChEd 19 382L doi 10 1021 ed019p382 Boron shows a considerable tendency to assume the vitreous condition Volatile compounds of boron such as the halides and the hydrides have been decomposed by passing their vapors through an arc or by bringing them in contact with a hot surface or filament Boron of high purity is reported procurable by this method but it is either a very fine powder or of vitreous structure J L Hoard R E Hughes D E Sands The Structure of Tetragonal Boron Journal of the American Chemical Society 1958 80 17 4507 doi 10 1021 ja01550a019 Hoard Sullenger amp Kennard 1970 sfn error no target CITEREFHoardSullengerKennard1970 help Amberger 1981 第61頁 Wiberg 2001 第931頁 van Setten M J Uijttewaal M A de Wijs G A de Groot R A Thermodynamic stability of boron The role of defects and zero point motion J Am Chem Soc 2007 129 9 2458 2465 PMID 17295480 doi 10 1021 ja0631246 Widom M Mihalkovic M Symmetry broken crystal structure of elemental boron at low temperature Phys Rev B 2008 77 6 064113 Bibcode 2008PhRvB 77f4113W arXiv 0712 0530 doi 10 1103 PhysRevB 77 064113 Talley La Placa amp Post 1960 34 0 34 1 Sullenger et al 1969 E Amberger and K Ploog Bildung der gitter des reinen bors J Less Common Metals 1971 23 21 doi 10 1016 0022 5088 71 90004 X K Ploog and E Amberger Kohlenstoff induzierte gitter beim bor I tetragonales B12 4B2C und B12 4B2C2 J Less Common Metals 1971 23 33 doi 10 1016 0022 5088 71 90005 1 M Vlasse R Naslain J S Kasper K Ploog Crystal structure of tetragonal boron related to a AlB12 Journal of Solid State Chemistry 1979 28 3 289 Bibcode 1979JSSCh 28 289V doi 10 1016 0022 4596 79 90080 X 38 0 38 1 Wentorf 1965 Zarechnaya E Y Dubrovinsky L Dubrovinskaia N Miyajima N Filinchuk Y Chernyshov D Dmitriev V Synthesis of an orthorhombic high pressure boron phase Science and Technology of Advanced Materials free download 2008 9 4 044209 12 Bibcode 2008STAdM 9d4209Z doi 10 1088 1468 6996 9 4 044209 McConville G T Sullenger D B Zielinski R E Gubser D U Sands D E Cantrell J S Some physical properties of cubic boron Physics Letters A 1976 58 4 257 259 Bibcode 1976PhLA 58 257M doi 10 1016 0375 9601 76 90091 8 Amberger 1981 第21 27 74頁 Donohue 1982 第80頁 M I Eremets et al Superconductivity in Boron Science 2001 293 5528 272 4 Bibcode 2001Sci 293 272E PMID 11452118 doi 10 1126 science 1062286 引文格式1维护 显式使用等标签 link C Mailhiot J B Grant and A K McMahan High pressure metallic phases of boron Phys Rev B 1990 42 14 9033 Bibcode 1990PhRvB 42 9033M doi 10 1103 PhysRevB 42 9033 Polian A Ovsyannikov S V Gauthier M Munsch M Chervin J C Lemarchand G Boron and boron rich solids at high pressures Boldyreva E Dera P 编 High pressure crystallography From fundamental phenomena to technological applications Proceedings of the NATO Advanced Study Institute on High Pressure Crystallography Advanced Armor Materials and Protection from Explosives Erice Italy 4 14 June 2009 Dordrecht Springer Science Business Media 241 250 242 2010 ISBN 978 90 481 9257 1 Zhao J Lu J P Pressure induced metallization in solid boron Physical Review B 092101 to 092105 Bibcode 2002PhRvB 66i2101Z arXiv cond mat 0109550 doi 10 1103 PhysRevB 66 092101 Zhai Hua Jin Ya Fan Zhao Wei Li Li Qiang Chen Hui Bai Han Shi Hu Zachary A Piazza Wen Juan Tian Hai Gang Lu Yan Bo Wu Yue Wen Mu Guang Feng Wei Zhi Pan Liu Jun Li Si Dian Li Lai Sheng Wang Observation of an all boron fullerene Nature Chemistry 2014 07 13 advance online publication 2014 08 13 ISSN 1755 4349 doi 10 1038 nchem 1999 引文使用过时参数coauthors 帮助 Delaplane R G Dahlborg U Howells W S Lundstrom T A neutron diffraction study of amorphous boron using a pulsed source Journal of Non Crystalline Solids 1988 106 1 3 66 69 Bibcode 1988JNCS 106 66D doi 10 1016 0022 3093 88 90229 3 J S Gillespie Jr Crystallization of Massive Amorphous Boron J Am Chem Soc 1966 88 11 2423 doi 10 1021 ja00963a011 50 0 50 1 Wang amp Duan 2003 S Johansson et al Microfabrication of three dimensional boron structures by laser chemical processing J Appl Phys 1992 72 12 5956 Bibcode 1992JAP 72 5956J doi 10 1063 1 351904 引文格式1维护 显式使用等标签 link 參考文獻 编辑Amberger E Elemental boron Buschbeck K C 编 Gmelin handbook of inorganic and organometallic chemistry B Boron Supplement 2 8th Berlin Springer Verlag 1981 1 112 ISBN 3 540 93448 0 Donohue J The structures of the elements Malabar Florida Robert E Krieger 1982 ISBN 0 89874 230 7 Housecroft C E Sharpe A G Inorganic chemistry 3rd Harlow Pearson Education 2008 ISBN 978 0 13 175553 6 Madelung O Landolt Bornstein numerical data and functional relationships in science and technology New series Group III Volume 17 Semiconductors Subvolume e Physics of non tetrahedrally bonded elements and binary compounds I Springer Verlag New York 1983 ISBN 0 387 11780 6 Nelmes R J Loveday J S Allan D R Besson J M Hamel G Grima P Hull S Neutron and x ray diffraction measurements of the bulk modulus of boron Physical Review B 1993 47 13 7668 7673 Bibcode 1993PhRvB 47 7668N doi 10 1103 PhysRevB 47 7668 Oganov A R Chen J Ma Y Glass C W Yu Z Kurakevych O O Solozhenko V L Ionic high pressure form of elemental boron Nature 12 Feb 457 7027 863 868 Bibcode 2009Natur 457 863O PMID 19182772 arXiv 0911 3192 doi 10 1038 nature07736 请检查 date 中的日期值 帮助 引文格式1维护 日期与年 link Sullenger D B Phipps K D Seabaugh P W Hudgens C R Sands D E Cantrell J S Boron modifications produced in an induction coupled argon plasma Science 1969 163 3870 935 937 Bibcode 1969Sci 163 935S doi 10 1126 science 163 3870 935 Talley C P La Placa S Post B A new polymorph of boron Acta Crystallographica 1960 13 3 271 2 doi 10 1107 S0365110X60000613 Wang Y Q Duan X F Crystalline boron nanowires Applied Physics Letters 2003 82 2 272 Bibcode 2003ApPhL 82 272W doi 10 1063 1 1536269 Wentorf R H Boron Another form Science 1965 147 3653 49 50 Bibcode 1965Sci 147 49W PMID 17799779 doi 10 1126 science 147 3653 49 Wiberg N Inorganic chemistry San Diego Academic Press 2001 ISBN 0 12 352651 5 Will G Kiefer B Electron deformation density in rhombohedral a boron Zeitschrift fur anorganische und allgemeine Chemie 2001 627 9 2100 104 doi 10 1002 1521 3749 200109 627 9 lt 2100 AID ZAAC2100 gt 3 0 CO 2 G Zarechnaya E Y Dubrovinsky L Dubrovinskaia N Filinchuk Y Chernyshov D Dmitriev V Miyajima N El Goresy A et al Superhard semiconducting optically transparent high pressure phase of boron Physical Review Letters 2009 102 18 185501 4 Bibcode 2009PhRvL 102r5501Z PMID 19518885 doi 10 1103 PhysRevLett 102 185501 取自 https zh wikipedia org w index php title 硼的同素異形體 amp oldid 69141306, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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