I borofen, grænser er ingen barriere - forskere laver og tester atomtykke borer unikke domæner

Borophen, den atomisk flade form af bor med unikke egenskaber, er endnu mere interessant, når forskellige former for materialet blandes og blandes, ifølge forskere ved Rice og Northwestern universiteter.

Forskere ved institutionerne lavede og analyserede borophen med forskellige gitterarrangementer og opdagede, hvor modtagelige de forskellige strukturer er til at kombineres til nye krystallignende former. Disse, de antydede, har egenskaber, som elektronikproducenter måtte ønske at udforske.

Forskningen ledet af rismateriale-teoretikeren Boris Yakobson og Northwestern-materialeforskeren Mark Hersam optræder i Naturmaterialer .

Borophen adskiller sig fra grafen og andre 2-D materialer på en vigtig måde:Det forekommer ikke i naturen. Da grafen blev opdaget, det blev berømt revet fra et stykke grafit med scotch tape. Men halvledende bulkbor har ikke lag, så alt borophen er syntetisk.

Også i modsætning til grafen, hvor atomer forbindes for at danne hønsenet-lignende sekskanter, borophen dannes som forbundne trekanter. Periodisk, atomer forsvinder fra nettet og efterlader sekskantede ledige pladser. Laboratorierne undersøgte former for borophen med "hul sekskant"-koncentrationer på én for hver femte trekanter og én for hver sjette i gitteret.

Dette er de mest almindelige faser, som Northwestern-laboratoriet observerede, da det skabte borophen på et sølvsubstrat gennem atomisk boraflejring i et ultrahøjt vakuum, ifølge forskerne, men "perfekte" borophen-arrays var ikke målet for undersøgelsen.

Laboratoriet fandt, at ved temperaturer mellem 440 og 470 grader Celsius (824-878 grader Fahrenheit), både 1-til-5 og 1-til-6 faser voksede samtidigt på sølvsubstratet, som fungerer som en skabelon, der styrer aflejringen af ​​atomer i afstemte faser. Laboratoriernes interesse blev øget af, hvad der skete, hvor disse domæner mødtes. I modsætning til hvad de havde observeret i grafen, atomerne rummede let hinanden ved grænserne og overtog deres naboers strukturer.

Disse grænsejusteringer gav anledning til mere eksotiske – men stadig metalliske – former for borophen, med forhold såsom 4-til-21 og 7-til-36, der optræder blandt de parallelle faser.

"I grafen, disse grænser ville være uordnede strukturer, men i borophen defekter ledningen, træde i kræft, er en perfekt struktur for hinanden, " sagde Rice kandidatstuderende Luqing Wang, der ledede en teoretisk analyse af energier på atomniveau for at forklare observationerne. "Blandingen mellem faserne er meget forskellig fra, hvad vi ser i andre 2-D materialer."

"Selvom vi forventede en vis sammenblanding mellem 1-til-5 og 1-til-6 faserne, den sømløse justering og orden i periodiske strukturer var overraskende, " sagde Hersam. "I den todimensionelle grænse, bor har vist sig at være et usædvanligt rigt og interessant materialesystem."

Wangs tæthedsfunktionsteori-beregninger afslørede den metalliske natur af linjedefekterne; dette indebar, at i modsætning til isoleringsdefekter i ellers metallisk grafen, de har minimal indflydelse på materialets elektroniske egenskaber ved stuetemperatur. Ved lav temperatur, materialet viser tegn på en ladningstæthedsbølge, en højordnet strøm af elektroner.

Teoretiske beregninger antydede også subtile forskelle i stivhed, termisk ledningsevne og elektrokemiske egenskaber blandt borophenfaser, som også foreslog, at materialet kan tunes til applikationer.

"De unikke polymorfismer af borophen vises fuldt ud i denne undersøgelse, " sagde Yakobson. "Dette tyder på spændende samspil i materialets elektroniske struktur gennem ladningstæthedsbølger, hvilket kan føre til fristende omskiftelig elektronik."

"Som et atomisk tyndt materiale, borophen har egenskaber, der bør være en funktion af substratet, nabomaterialer og overfladekemi, " sagde Hersam. "Vi håber at få yderligere kontrol over dets egenskaber gennem kemisk funktionalisering og/eller integration med andre materialer i heterostrukturer."

Yakobson og Hersam var også medforfatter til en nylig Natur nanoteknologi perspektiv om "det letteste 2-D metal." I det stykke, forfatterne foreslog, at borophen kan være ideel til fleksible og gennemsigtige elektroniske forbindelser, elektroder og displays. Det kunne også være velegnet til superledende kvanteinterferensenheder og, når de er stablet, til brintlagring og batteriapplikationer.