Borofen:Forskere skaber atom tyndt bor

Et team af forskere fra det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory, Northwestern University og Stony Brook University har, for første gang, skabt et todimensionalt ark bor-et materiale kendt som borofen.

Forskere har været interesserede i todimensionelle materialer på grund af deres unikke egenskaber, især deres elektroniske egenskaber. Borofen er et usædvanligt materiale, fordi det viser mange metalliske egenskaber på nanoskalaen, selvom det er tredimensionelt, eller bulk, bor er ikke -metallisk og halvledende.

Fordi borofen er både metallisk og atomisk tyndt, det lover godt for mulige applikationer lige fra elektronik til fotovoltaik, sagde Argonne nanovidenskabsmand Nathan Guisinger, der ledede forsøget. "Ingen bulkform af elementært bor har denne metallignende adfærd, " han sagde.

Undersøgelsen offentliggøres 18. december af tidsskriftet Videnskab .

Ligesom sit periodiske system nabo kulstof, der vises i naturen i former, der spænder fra ydmyg grafit til ædel diamant, bor bærer en række forskellige ansigter, kaldet allotroper. Men det er her lighederne ender. Mens grafit er sammensat af stakke af todimensionale ark, der kan skrælles af ad gangen, der er ikke en sådan analog proces til fremstilling af todimensionalt bor.

"Borophener er ekstremt spændende, fordi de er ganske forskellige fra tidligere undersøgte todimensionale materialer, "Sagde Guisinger." Og fordi de ikke optræder i naturen, udfordringen indebar at designe et eksperiment for at producere dem syntetisk i vores laboratorium. "

Selvom mindst 16 bulkallotroper af bor er kendt, videnskabsfolk havde aldrig før været i stand til at lave et helt ark, eller enkeltlag, af borofen. "Det er kun i den seneste tid, at forskere har været i stand til at lave små stykker bor på nanoskalaen, "sagde Andrew Mannix, en nordvestlig kandidatstuderende og første forfatter af undersøgelsen. "Dette er et helt nyt materiale med spændende egenskaber, som vi lige er begyndt at undersøge."

"Bor har en rig og etagers historie og en meget kompliceret kemi, "tilføjede Mark Hersam, professor i materialevidenskab og teknik ved Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science, der hjalp med at rådgive Mannix. "Dette er noget, der let ikke kunne have virket, men Andy havde mod og vedholdenhed til at få det til at ske. "

Et af borets mest usædvanlige træk består af dets atomkonfiguration på nanoskalaen. Mens andre todimensionelle materialer mere eller mindre ligner helt glatte og jævne planer på nanoskalaen, borofen ligner bølgepap, bukker op og ned afhængigt af, hvordan boratomerne binder til hinanden, ifølge Mannix.

"Rygene" i denne paplignende struktur resulterer i et materielt fænomen kendt som anisotropi, hvor et materiales mekaniske eller elektroniske egenskaber - ligesom dets elektriske ledningsevne - bliver retningsafhængige. "Denne ekstreme anisotropi er sjælden i todimensionale materialer og er ikke set før i et todimensionalt metal, "Sagde Mannix.

Baseret på teoretiske forudsigelser af borophens egenskaber, forskerne bemærkede også, at den sandsynligvis har en højere trækstyrke end noget andet kendt materiale. Trækstyrke refererer til et materiales evne til at modstå brud, når det trækkes fra hinanden. "Andre todimensionale materialer har været kendt for at have høj trækstyrke, men dette kunne være det stærkeste materiale, vi har fundet endnu, "Sagde Guisinger.

Opdagelsen og syntesen af ​​borofen blev hjulpet af computersimuleringsarbejde ledet af Stony Brook-forskere Xiang-Feng Zhou og Artem Oganov, som i øjeblikket er tilknyttet Moskva Institut for Fysik og Teknologi og Skolkovo Institut for Videnskab og Teknologi. Oganov og Zhou brugte avancerede simuleringsmetoder, der viste dannelsen af ​​den bølgede overflades rynker.

"Nogle gange finder eksperimenter et materiale, og de beder os om at løse strukturen, og nogle gange laver vi forudsigelser først, og eksperimentet validerer det, vi finder, "Sagde Oganov." De to går hånd i hånd, og i dette internationale samarbejde havde vi lidt af begge dele. "

"Den forbindelse, vi har mellem institutionerne, giver os mulighed for at opnå ting, som vi ikke kunne gøre alene, "Tilføjede Hersam." Vi havde brug for at kombinere scanningstunnelmikroskopi med røntgenfotoelektronspektroskopi og transmissionselektronmikroskopi for både at få et overblik over materialets overflade og verificere dets atomskala tykkelse og kemiske egenskaber. "

Da de voksede borophen -monolaget, forskerne opdagede en anden fordel inden for deres eksperimentelle teknik. I modsætning til tidligere eksperimenter, der brugte meget giftige gasser til fremstilling af nanoskala borbaserede materialer, dette eksperiment involverede en ikke-toksisk teknik kaldet elektronstrålefordampning, som i det væsentlige fordamper et kildemateriale og derefter kondenserer en tynd film på et substrat - i dette tilfælde, bor på sølv.

"Da vi udførte vores teoretiske arbejde, Jeg var i tvivl om muligheden for at få todimensionel bor, fordi bor kan lide at danne klynger, og stryge det ud i to dimensioner, som jeg troede ville være udfordrende, "Sagde Oganov." Det viste sig, at dyrkning på underlaget var nøglen, fordi bor og sølv viser sig ikke at reagere med hinanden. "