Ученые интересовались двумерными материалами из-за их уникальных характеристик, особенно в том, что касается их электронных свойств. Борофен — необычный материал, потому что он демонстрирует многие металлические свойства на наномасштабе, даже несмотря на то, что трехмерный или объемный бор является неметаллическим и полупроводниковым.Поскольку борофен является одновременно металлическим и атомарно тонким, он открывает перспективы для возможных применений, начиная от электроники и заканчивая фотовольтаикой, сказал аргоннский наноученый Натан Гизингер, руководивший экспериментом. «Никакая объемная форма элементарного бора не имеет такого металлического поведения», — сказал он.Исследование будет опубликовано 18 декабря в журнале Science.
Подобно своему соседу по таблице Менделеева, который встречается в природе в различных формах, от простого графита до драгоценного алмаза, бор имеет несколько различных граней, называемых аллотропами. Но на этом сходство заканчивается. Хотя графит состоит из стопок двумерных листов, которые можно снимать по одному, такого аналогичного процесса для получения двумерного бора не существует.
«Борофены чрезвычайно интригуют, потому что они сильно отличаются от ранее изученных двумерных материалов», — сказал Гизингер. «И поскольку они не появляются в природе, задача заключалась в разработке эксперимента по их синтетическому производству в нашей лаборатории».Хотя известно по крайней мере 16 объемных аллотропов бора, ученым никогда прежде не удавалось создать цельный лист или монослой борофена. «Только в недавнем прошлом исследователи смогли получить крошечные частицы бора в наномасштабе», — сказал Эндрю Манникс, аспирант Северо-Запада и первый автор исследования. «Это совершенно новый материал с захватывающими свойствами, которые мы только начинаем исследовать».
«У бора богатая и легендарная история и очень сложная химия», — добавил Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии Северо-западной школы инженерии и прикладных наук Маккормика, который консультировал Mannix. «Это то, что легко могло не сработать, но у Энди хватило мужества и настойчивости, чтобы это произошло».Одна из самых необычных особенностей бора заключается в его атомной конфигурации на наномасштабе. В то время как другие двухмерные материалы выглядят более или менее как идеально гладкие и ровные плоскости в наномасштабе, борофен выглядит как гофрированный картон, изгибающийся вверх и вниз в зависимости от того, как атомы бора связываются друг с другом, согласно Манниксу.
«Гребни» этой картонной структуры приводят к явлению материала, известному как анизотропия, при котором механические или электронные свойства материала, такие как его электропроводность, становятся зависимыми от направления. «Такая крайняя анизотропия редко встречается в двумерных материалах и ранее не наблюдалась в двумерном металле», — сказал Манникс.Основываясь на теоретических предсказаниях характеристик борофена, исследователи также заметили, что он, вероятно, имеет более высокий предел прочности на разрыв, чем любой другой известный материал.
Прочность на растяжение относится к способности материала сопротивляться разрушению при разрыве. «Известно, что другие двухмерные материалы обладают высокой прочностью на разрыв, но это, возможно, самый прочный материал, который мы когда-либо находили», — сказал Гизингер.Открытию и синтезу борофена способствовало компьютерное моделирование под руководством исследователей Stony Brook Сян-Фэн Чжоу и Артема Оганова, который в настоящее время является сотрудником Московского физико-технического института и Сколковского института науки и технологий. Оганов и Чжоу использовали передовые методы моделирования, которые показали образование складок на гофрированной поверхности.«Иногда экспериментаторы находят материал и просят нас решить структуру, а иногда мы сначала делаем прогнозы, и эксперимент подтверждает то, что мы находим», — сказал Оганов. «Эти два аспекта идут рука об руку, и в этом международном сотрудничестве у нас было понемногу и того, и другого».
«Связь, которую мы имеем между учреждениями, позволяет нам достигать того, что мы не можем сделать в одиночку», — добавил Херсам. «Нам нужно было объединить сканирующую туннельную микроскопию с рентгеновской фотоэлектронной спектроскопией и просвечивающей электронной микроскопией, чтобы получить изображение поверхности материала и проверить его атомную толщину и химические свойства».По мере выращивания монослоя борофена исследователи обнаружили еще одно преимущество своей экспериментальной техники. В отличие от предыдущих экспериментов, в которых для производства наноразмерных материалов на основе бора использовались высокотоксичные газы, в этом эксперименте использовался нетоксичный метод, называемый электронно-лучевым испарением, который по существу испаряет исходный материал, а затем конденсирует тонкую пленку на подложке — в в данном случае бор на серебре.«Когда мы проводили нашу теоретическую работу, у меня были сомнения относительно возможности получения двумерного бора, потому что бор любит образовывать кластеры, и сглаживание его до двухмерного, я думал, будет сложной задачей», — сказал Оганов. «Оказалось, что выращивание на подложке было ключевым, потому что бор и серебро не вступали в реакцию друг с другом».
Экспериментальная работа проводилась в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском центре Министерства энергетики США, а также в Исследовательском центре материаловедения Северо-Западного университета.