Ученые интересовались двумерными материалами для их уникальных особенностей, особенно включая их электронные свойства. Borophene – необычный материал, потому что он показывает много металлических свойств в наноразмерном даже при том, что трехмерный, или большая часть, бор неметаллический и полупроводниковый.
Поскольку borophene и металлический и атомарно тонкий, он открывает перспективу для возможных заявлений в пределах от электроники к гелиотехнике, сказал наноученый Аргонна Натан Гуизинджер, который привел эксперимент. «Ни у какой оптовой формы элементного бора нет этого подобного металлу поведения», сказал он.Исследование будет опубликовано 18 декабря журналом Science.
Как его соседний углерод периодической таблицы, который появляется по своей природе в формах в пределах от скромного графита к драгоценному алмазу, бор носит много различных лиц, названных аллотропами. Но это – то, где общие черты заканчиваются. В то время как графит состоит из стопок двумерных листов, которые могут быть очищены прочь по одному, нет такого аналогичного процесса для того, чтобы сделать двумерный бор.
«Borophenes чрезвычайно интригующие, потому что они очень отличаются от ранее изученных двумерных материалов», сказал Гуизингер. «И потому что они не появляются по своей природе, проблема включила проектирование эксперимента, чтобы произвести их искусственно в нашей лаборатории».Хотя по крайней мере 16 оптовых аллотропов бора известны, ученые прежде никогда не были в состоянии сделать целый лист или монослой, borophene. «Только в недалеком прошлом исследователи были в состоянии сделать крошечные части бора в наноразмерном», сказал Эндрю Манникс, Северо-западный аспирант и первый автор исследования. «Это – совершенно новый материал с захватывающими свойствами, которые мы только начинаем исследовать».«У бора есть богатая и легендарная история и очень сложная химия», добавил Марк Херсэм, преподаватель материаловедения и разработки в Школе Маккормика Нортвестерна Технических наук и прикладной науки, кто помог советовать Mannix. «Это – что-то, что, возможно, не легко работало, но Энди имел мужество и постоянство заставить его произойти».
Одна из самых необычных особенностей бора состоит из его атомной конфигурации в наноразмерном. В то время как другие двумерные материалы более или менее походят совершенно гладкий, и даже самолеты в наноразмерном, borophene похож на рифленый картон, проваливающийся вверх и вниз в зависимости от того, как атомы бора связывают друг с другом, по данным Mannix.«Горные хребты» этой подобной картону структуры приводят к материальному явлению, известному как анизотропия, в которой механические или электронные свойства материала – как его электрическая проводимость – становятся направлено зависимыми. «Эта чрезвычайная анизотропия редка в двумерных материалах и не была замечена прежде в двумерном металле», сказал Манникс.На основе теоретических предсказаний особенностей borophene исследователи также заметили, что у этого, вероятно, есть более высокий предел прочности, чем какой-либо другой известный материал.
Предел прочности относится к способности материала сопротивляться ломке, когда это разделено. «У других двумерных материалов, как было известно, был высокий предел прочности, но это могло быть самым сильным материалом, который мы нашли все же», сказал Гуизингер.Открытию и синтезу borophene помогло компьютерное моделирование во главе с Каменным Сянцзяном-Feng исследователей Ручья Чжоу и Артемом Огановым, который в настоящее время аффилирован с Московским Институтом Физики и Технологии и Институтом Сколково Науки и техники. Оганов и Чжоу использовали передовые методы моделирования, которые показали формирование морщин рифленой поверхности.
«Иногда экспериментаторы находят материал, и они просят, чтобы мы решили структуру, и иногда мы делаем предсказания сначала и эксперимент утверждают то, что мы находим», сказал Оганов. «Эти два идут рука об руку, и в этом международном сотрудничестве у нас было немного оба».«Связь, которую мы имеем между учреждениями, позволяет нам достигать вещей, которые мы не могли сделать один», добавил Херсэм. «Мы должны были объединить микроскопию туннелирования просмотра со спектроскопией фотоэлектрона рентгена и микроскопию электрона передачи, чтобы и получить представление о поверхности материала и проверить его толщину на уровне атомов и химические свойства».Когда они вырастили borophene монослой, исследователи обнаружили другое преимущество в своей экспериментальной технике. В отличие от предыдущих экспериментов, которые использовали очень токсичные газы в производстве наноразмерных основанных на боре материалов, этот эксперимент включил нетоксичную технику, названную электроннолучевым испарением, которое по существу выпаривает исходный материал и затем уплотняет тонкую пленку на основании – в этом случае, бор на серебре.
«Когда мы сделали нашу теоретическую работу, у меня были сомнения относительно выполнимости получения двумерного бора, потому что бору нравится формировать группы и сглаживание его в два размеров, я думал, будет сложно», сказал Оганов. «Оказалось, что рост на основании был ключевым, потому что бор и серебро, оказывается, не реагируют друг с другом».Экспериментальная работа была выполнена в Центре Аргонна Наноразмерных Материалов, Офисе САМКИ Научного пользовательского средства, и в Научно-исследовательском центре Материалов Северо-Западного университета.