硼的同素異形體

硼有多種同素異形體，包括晶體和無定形體。現已知（已製備）的結晶狀硼有 α 菱面體硼晶、β 菱面體硼晶以及 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 菱面體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 菱面體硼晶最為相似，後者是一種堅硬的灰料，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。

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。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。從純硼中製備硼單晶則更加困難，原因是多態現象以及硼傾向與雜質反應；典型的晶體大小為～0.1 mm。

## 理化性質概要

* * * *

## α 菱面體硼晶

α 菱面體硼晶是含有 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 正二十面體是由 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。

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。而大部分 α 四方硼晶的合成實例發生在富含硼的碳化物或氮化物。

## β 菱面體硼晶

β 菱面體硼晶為含有 105-108 個硼原子的單胞體。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。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。

## 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。後來的研究更重新進行了此合成並確認產物中沒有雜質。

## γ- 硼晶

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。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，由晶格動力學也可推測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，然而此硼的結構與化學組成皆不確定。其結構是通過「從頭計演算法」晶體結構預測計算後再以 X 射線晶體學手段確認的。

## 立方體硼

Sullenger 等在 1969 年以及 McConville 等在 1976 年中階發表了此種於氬電漿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，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。多諾霍於 1982 年提到 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 下為 4 K、250 GPa 時上升到 11 K。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。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）。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。

## 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。

## 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。
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 菱面體硼晶。非晶體硼的奈米線（直徑 30-60 nm） 或纖維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 菱面體硼晶奈米線。

## 注釋

## 引用

## 參考文獻

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