Fladt bor ved tallene:Forskere beregner, hvad det ville tage at lave nyt 2-dimensionelt materiale

Det ville være en forfærdelig ting, hvis laboratorier, der stræber efter at dyrke grafen fra kulstofatomer, blev ved med at ende op med store irriterende diamanter.

"Det ville være besvær, at rense diamanterne, så du kunne gøre noget rigtigt arbejde, "sagde Rice Universitys teoretiske fysiker Boris Yakobson, griner af det absurde billede.

Alligevel sker sådan noget hele tiden for eksperimentelister, der arbejder på at dyrke todimensionelt bor. Boratomer har en stærk præference for at klumpe sig ind i tredimensionelle former frem for at samle sig til uberørte enkeltatom-ark, ligesom kulstof gør, når det bliver til grafen. Og borklumper er ikke nær så glitrende.

Yakobson og hans Rice-kolleger har gjort fremskridt mod 2-D-bor gennem teoretisk arbejde, der foreslår de mest praktiske måder at lave materialet og få det til at fungere. Tidligere beregninger fra gruppen viste, at 2-D born ville lede elektricitet bedre end grafen.

Gennem første-principberegninger af boratomers interaktion med forskellige substrater, holdet kom med flere mulige veje, eksperimentelle kan gå mod 2-D-bor. Yakobson føler, at værket kan vise vejen mod andre nyttige todimensionelle materialer.

Rice-holdets resultater vises i denne uge i journalen Angewandte Chemie International Edition . Rice-studerende Yuanyue Liu og forsker Evgeni Penev er medforfattere til papiret.

Yakobsons laboratorium rapporterede først i en Nano bogstaver papir sidste år, der i modsætning til grafen, 2-D bor rullet ind i et nanorør ville altid være metallisk. I modsætning til grafen, atomarrangementet kan ændre sig uden at ændre materialets beskaffenhed. I stedet for den faste rang-og-fil af sekskanter i et perfekt grafenark, 2-D bor består af trekanter. Men bor kunne have ledige stillinger - manglende atomer - uden at påvirke dets egenskaber.

Det er teorien. Det tilbageværende problem er, hvordan man laver tingene.

"Vi er, måske, så tæt på, "Sagde Penev." Her har vi udtænkt et materiale, der ligner grafen, men er altid ledende, uanset hvilken form den tager. Det, vi gør nu, er at udforske forskellige muligheder for at forbinde vores teorier med virkeligheden."

Den bedste metode, de regnede ud, kan være at føde bor ind i en ovn med sølv- eller guldsubstrater i en proces kaldet kemisk dampaflejring, almindeligt anvendt til fremstilling af grafen. Underlaget er vigtigt, Penev sagde, fordi atomerne skal spilde på overfladen og klæbe fast, men ikke for stærkt.

"Du skal have et substrat, der ikke ønsker at opløse bor, sagde han. På den anden side, du vil have et underlag, der ikke binder for stærkt. Du burde være i stand til at løsne borlaget."

Derefter, som grafen, disse atom-tykke borplader kunne påføres andre overflader til testning og, ultimativt, til brug i applikationer.

Undersøgelsen beregnede også metoder til oprettelse af ark via mætning af boratomer på overfladen af ​​boridsubstrater, og fordampning af metalatomer fra metalborider, der kun efterlader målatomerne i et ark.

"Der er mange grunde til, at bor kan være interessant, " sagde Liu, papirets første forfatter. "Bor er kulstofs nabo i det periodiske system, med en elektron mindre som kan bringe masser af ny fysik og kemi ind, især på nanoskala. For eksempel, 2-D bor er mere ledende end grafen på grund af dets unikke elektroniske struktur og atomarrangement.

"Faktisk, sammenligning (bor) med grafen er meget nyttigt, "sagde han." De nyeste syntesemetoder til grafen giver os gode skabeloner til at udforske 2-D-boresyntese. "

Yakobson tænker et skridt ud over det nuværende arbejde. "Der er mange grupper, hos Rice og andre steder, arbejder på 2-D bor, " sagde han. "For at værdsætte dette arbejde, du skal stå tilbage og kontrastere det med grafen; på en eller anden måde, syntesen af ​​grafen er triviel.

"Hvorfor? Fordi grafen er et gudgivet materiale, " sagde han. "Det danner på det globale minimum (energi) for kulstofatomer - de går der villigt. Men bor er en anden historie. It does not have a planar form as a global minimum, which makes it a really subtle problem. The novelty in this work is that we're trying to trick it into building a two-dimensional motif instead of three."

The search for 2-D materials with varying qualities is hot right now; another new paper from Rice on a hybrid graphene-hexagonal boron nitride shows the need for a 2-D semiconductor to complement the material's conducting and insulating elements.

Yakobson hopes his study serves as a guideline for practical routes to other novel materials. "Now that there is a growing interest in a variety of 2-D materials, this may be a template, " han sagde.

Yakobson is Rice's Karl F. Hasselmann Professor of Mechanical Engineering and Materials Science and professor of chemistry.