By first principles calculations, we predict that the recently prepared borophene is a pristine two-dimensional monolayer superconductor in which the superconductivity can be significantly enhanced by strain and charge carrier doping. The intrinsic metallic ground state with high density of states at Fermi energy and strong Fermi surface nesting lead to sizeable electron-phonon coupling, making the freestanding borophene superconduct with Tc close to 19.0 K. The tensile strain can increase the Tc to 27.4 K, while the hole doping can notably increase Tc to 34.8 K. The results indicate that the borophene grown on substrates with large lattice parameters or under photoexcitation can show enhanced superconductivity with Tc far above the liquid hydrogen temperature of 20.3 K, which will largely broaden the applications of such promising material.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
, and
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
M. I.
Katsnelson
,
I. V.
Grigorieva
,
S. V.
Dubonos
, and
A. A.
Firsov
,
Nature
438
,
197
(
2005
).
3.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
4.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J.
Kim
,
C.-Y.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
,
1271
(
2010
).
5.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
136805
(
2010
).
6.
M.
Corso
,
W.
Auwärter
,
M.
Muntwiler
,
A.
Tamai
,
T.
Greber
, and
J.
Osterwalder
,
Science
303
,
217
(
2004
).
7.
D.
Pacilé
,
J. C.
Meyer
,
C. O.
Girit
, and
A.
Zettl
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
133107
(
2008
).
8.
L.
Song
,
L.
Ci
,
H.
Lu
,
P. B.
Sorokin
,
C.
Jin
,
J.
Ni
,
A. G.
Kvashnin
,
D. G.
Kvashnin
,
J.
Lou
,
B. I.
Yakobson
 et al.,
Nano Lett.
10
,
3209
(
2010
).
9.
B.
Aufray
,
A.
Kara
,
S.
Vizzini
,
H.
Oughaddou
,
C.
Léandri
,
B.
Ealet
, and
G.
Le Lay
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
183102
(
2010
).
10.
B.
Lalmi
,
H.
Oughaddou
,
H.
Enriquez
,
A.
Kara
,
S.
Vizzini
,
B.
Ealet
, and
B.
Aufray
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
223109
(
2010
).
11.
P.
Vogt
,
P.
De Padova
,
C.
Quaresima
,
J.
Avila
,
E.
Frantzeskakis
,
M. C.
Asensio
,
A.
Resta
,
B.
Ealet
, and
G.
Le Lay
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
155501
(
2012
).
12.
W.
Lu
,
H.
Nan
,
J.
Hong
,
Y.
Chen
,
C.
Zhu
,
Z.
Liang
,
X.
Ma
,
Z.
Ni
,
C.
Jin
, and
Z.
Zhang
,
Nano Res.
7
,
853
(
2014
).
13.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q.
Ge
,
X.
Ou
,
H.
Wu
,
D.
Feng
,
X. H.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
14.
S.
De Franceschi
,
L.
Kouwenhoven
,
C.
Schönenberger
, and
W.
Wernsdorfer
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
703
(
2010
).
15.
J.
Delahaye
,
J.
Hassel
,
R.
Lindell
,
M.
Sillanpää
,
M.
Paalanen
,
H.
Seppä
, and
P.
Hakonen
,
Science
299
,
1045
(
2003
).
16.
E. J.
Romans
,
E. J.
Osley
,
L.
Young
,
P. A.
Warburton
, and
W.
Li
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
222506
(
2010
).
17.
O. P.
Saira
,
M.
Meschke
,
F.
Giazotto
,
A. M.
Savin
,
M.
Möttönen
, and
J. P.
Pekola
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
027203
(
2007
).
18.
M.
Huefner
,
C.
May
,
S.
Kičin
,
K.
Ensslin
,
T.
Ihn
,
M.
Hilke
,
K.
Suter
,
N. F.
de Rooij
, and
U.
Staufer
,
Phys. Rev. B
79
,
134530
(
2009
).
19.
R. A.
Klemm
,
Layered Superconductors
(
Oxford
,
U.K.
,
2012
), Vol.
1
.
20.
G.
Profeta
,
M.
Calandra
, and
F.
Mauri
,
Nat. Phys.
8
,
131
(
2012
).
21.
D. M.
Guzman
,
H. M.
Alyahyaei
, and
R. A.
Jishi
,
2D Mater.
1
,
021005
(
2014
).
22.
G.
Savini
,
A. C.
Ferrari
, and
F.
Giustino
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
037002
(
2010
).
23.
C.
Si
,
Z.
Liu
,
W.
Duan
, and
F.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
196802
(
2013
).
24.
Y.
Ge
and
A. Y.
Liu
,
Phys. Rev. B
87
,
241408
(
2013
).
25.
M.
Rësner
,
S.
Haas
, and
T. O.
Wehling
,
Phys. Rev. B
90
,
245105
(
2014
).
26.
W.
Wan
,
Y.
Ge
,
F.
Yang
, and
Y.
Yao
,
Europhys. Lett.
104
,
36001
(
2013
).
27.
D. F.
Shao
,
W. J.
Lu
,
H. Y.
Lv
, and
Y. P.
Sun
,
Europhys. Lett.
108
,
67004
(
2014
).
28.
Y.
Ge
,
W.
Wan
,
F.
Yang
, and
Y.
Yao
,
New J. Phys.
17
,
035008
(
2015
).
29.
J. T.
Ye
,
Y. J.
Zhang
,
R.
Akashi
,
M. S.
Bahramy
,
R.
Arita
, and
Y.
Iwasa
,
Science
338
,
1193
(
2012
).
30.
J. M.
Lu
,
O.
Zheliuk
,
I.
Leermakers
,
N. F. Q.
Yuan
,
U.
Zeitler
,
K. T.
Law
, and
J. T.
Ye
,
Science
350
,
1353
(
2015
).
31.
Q. Y.
Wang
,
Z.
Li
,
W. H.
Zhang
,
Z. C.
Zhang
,
J. S.
Zhang
,
W.
Li
,
H.
Ding
,
Y. B.
Ou
,
P.
Deng
,
K.
Chang
 et al.,
Chin. Phys. Lett.
29
,
037402
(
2012
).
32.
Y. Y.
Xiang
,
F.
Wang
,
D.
Wang
,
Q. H.
Wang
, and
D. H.
Lee
,
Phys. Rev. B
86
,
134508
(
2012
).
33.
S.
He
,
J.
He
,
W.
Zhang
,
L.
Zhao
,
D.
Liu
,
X.
Liu
,
D.
Mou
,
Y. B.
Ou
,
Q. Y.
Wang
,
Z.
Li
 et al.,
Nat. Mater.
12
,
605
(
2013
).
34.
W. H.
Zhang
,
Y.
Sun
,
J. S.
Zhang
,
F. S.
Li
,
M. H.
Guo
,
Y. F.
Zhao
,
H. M.
Zhang
,
J. P.
Peng
,
Y.
Xing
,
H. C.
Wang
 et al.,
Chin. Phys. Lett.
31
,
017401
(
2014
).
35.
J. J.
Lee
,
F. T.
Schmitt
,
R. G.
Moore
,
S.
Johnston
,
Y. T.
Cui
,
W.
Li
,
M.
Yi
,
Z. K.
Liu
,
M.
Hashimoto
,
Y.
Zhang
 et al.,
Nature
515
,
245
(
2014
).
36.
J. F.
Ge
,
Z. L.
Liu
,
C.
Liu
,
C. L.
Gao
,
D.
Qian
,
Q. K.
Xue
,
Y.
Liu
, and
J. F.
Jia
,
Nat. Mater.
14
,
285
(
2015
).
37.
B. M.
Ludbrook
,
G.
Levy
,
P.
Nigge
,
M.
Zonno
,
M.
Schneider
,
D. J.
Dvorak
,
C. N.
Veenstra
,
S.
Zhdanovich
,
D.
Wong
,
P.
Dosanjh
 et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
112
,
11795
(
2015
).
38.
A. J.
Mannix
,
X. F.
Zhou
,
B.
Kiraly
,
J. D.
Wood
,
D.
Alducin
,
B. D.
Myers
,
X.
Liu
,
B. L.
Fisher
,
U.
Santiago
,
J. R.
Guest
 et al.,
Science
350
,
1513
(
2015
).
40.
B.
Feng
,
J.
Zhang
,
Q.
Zhong
,
W.
Li
,
S.
Li
,
H.
Li
,
P.
Cheng
,
S.
Meng
,
L.
Chen
, and
K.
Wu
,
Nat. Chem.
8
,
563
(
2016
).
41.
H.
Wang
,
Q.
Li
,
Y.
Gao
,
F.
Miao
,
X. F.
Zhou
, and
X. G.
Wan
,
New J. Phys.
18
,
073016
(
2016
).
42.
L. C.
Xu
,
A.
Du
, and
L.
Kou
, e-print arXiv:1602.03620.
43.
B.
Peng
,
H.
Zhang
,
H.
Shao
,
Y.
Xu
,
R.
Zhang
, and
H.
Zhu
, e-print arXiv:1601.00140.
44.
M.
Gao
,
Q. Z.
Li
,
X. W.
Yan
, and
J.
Wang
, e-print arXiv:1602.02930.
45.
E. S.
Penev
,
A.
Kutana
, and
B. I.
Yakobson
,
Nano Lett.
16
,
2522
(
2016
).
46.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
 et al.,
J. Phys.: Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
47.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
48.
J. P.
Perdrew
,
J. A.
Chevary
,
S. H.
Vosko
,
K. A.
Jacson
,
M. R.
Pederson
,
D. J.
Singh
, and
C.
Fiolais
,
Phys. Rev. B
46
,
6671
(
1992
).
49.
S.
Baroni
,
S.
de Gironcoli
,
A.
Dal Corso
, and
P.
Giannozzi
,
Rev. Mod. Phys.
73
,
515
(
2001
).
50.
P. B.
Allen
and
R. C.
Dynes
,
Phys. Rev. B
12
,
905
(
1975
).
51.
M.
Calandra
and
F.
Mauri
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
196406
(
2011
).
52.
C. L.
Song
,
Y. L.
Wang
,
P.
Cheng
,
Y. P.
Jiang
,
W.
Li
,
T.
Zhang
,
Z.
Li
,
K.
He
,
L.
Wang
,
J. F.
Jia
 et al.,
Science
332
,
1410
(
2011
).
53.
J.
Bardeen
,
L. N.
Cooper
, and
J. R.
Schrieffer
,
Phys. Rev.
106
,
162
(
1957
).
54.
J.
Bardeen
,
L. N.
Cooper
, and
J. R.
Schrieffer
,
Phys. Rev.
108
,
1175
(
1957
).
55.
L. N.
Cooper
,
Phys. Rev.
104
,
1189
(
1956
).
56.
J.
Biscaras
,
Z.
Chen
,
A.
Paradisi
, and
A.
Shukla
,
Nat. Commun.
6
,
8826
(
2015
).
57.
I.
Vaskivskyi
,
J.
Gospodaric
,
S.
Brazovskii
,
D.
Svetin
,
P.
Sutar
,
E.
Goreshnik
,
I. A.
Mihailovic
,
T.
Mertelj
, and
D.
Mihailovic
,
Sci. Adv.
1
,
e1500168
(
2015
).
58.
D. F.
Shao
,
R. C.
Xiao
,
W. J.
Lu
,
H. Y.
Lv
,
J. Y.
Li
,
X. B.
Zhu
, and
Y. P.
Sun
,
Phys. Rev. B
94
,
125126
(
2016
).
59.
L.
Stojchevska
,
I.
Vaskivskyi
,
T.
Mertelj
,
P.
Kusar
,
D.
Svetin
,
S.
Brazovskii
, and
D.
Mihailovic
,
Science
344
,
177
(
2014
).
You do not currently have access to this content.