Forskere finder nye måder at forestille sig karakteriserer unikt materiale

Grafen kan komme fra grafit. Men borofen? Der er ikke noget, der hedder borit.

I modsætning til sin kulstofkusine, todimensionalt borofen kan ikke reduceres fra en større naturlig form. Bulk findes normalt kun i kombination med andre elementer, og er bestemt ikke lagdelt, så borofen skal laves fra atomerne og op. Selv da, det borofen, du får, er muligvis ikke det, du har brug for.

Af den grund, forskere ved Rice og nordvestlige universiteter har udviklet en metode til at se 2-D borofenkrystaller, som kan have mange gitterkonfigurationer - kaldet polymorfer - der igen bestemmer deres egenskaber.

At vide, hvordan man opnår specifikke polymorfer, kan hjælpe producenter med at indarbejde borofen med ønskeligt elektronisk, termisk, optiske og andre fysiske egenskaber i produkter.

Boris Yakobson, en materialefysiker ved Rice's Brown School of Engineering, og materialeforsker Mark Hersam fra det nordvestlige ledede et team, der ikke kun opdagede, hvordan man kunne se nanoskala strukturer af borofengitter, men også byggede teoretiske modeller, der hjalp med at karakterisere de krystallinske former.

Deres resultater offentliggøres i Naturkommunikation .

Borofen er stadig svært at lave i selv små mængder. Hvis og hvornår det kan skaleres op, producenter vil sandsynligvis gerne finjustere det til applikationer. Hvad Rice- og Northwestern -holdene lærte, vil hjælpe i den forbindelse.

Graphen har en enkelt form - en række sekskanter, som kyllingetråd - men perfekt borofen er et gitter med trekanter. Imidlertid, borofen er en polymorf, et materiale, der kan have mere end en krystalstruktur. Ledige stillinger, der efterlader mønstre af "hule sekskanter" i et borofengitter bestemmer dets fysiske og elektriske egenskaber.

Yakobson sagde, at der teoretisk set kunne være mere end 1, 000 former for borofen, hver med unikke egenskaber.

"Det har mange mulige mønstre og netværk af atomer, der er forbundet i gitteret, " han sagde.

Projektet startede på Hersams nordvestlige laboratorium, hvor forskere modificerede den stumpe spids af et atomkraftmikroskop med en skarp spids af kulstof- og iltatomer. Det gav dem mulighed for at scanne en flage borophen for at registrere elektroner, der svarer til kovalente bindinger mellem boratomer. De brugte et lignende modificeret scanningstunnelmikroskop til at finde hule sekskanter, hvor et boratom var forsvundet.

Scanningsflager dyrket på sølvunderlag under forskellige temperaturer via molekylær stråle-epitaxy viste dem en række krystalstrukturer, som de ændrede vækstbetingelser ændrede gitteret.

"Moderne mikroskopi er meget sofistikeret, men resultatet er, desværre, at det billede du får generelt er svært at fortolke, "Sagde Yakobson." Det vil sige, det er svært at sige, at et billede svarer til et bestemt atomgitter. Det er langt fra indlysende, men det er her teori og simuleringer kommer ind. "

Yakobsons team brugte første-princip simuleringer til at bestemme, hvorfor borofen indtog bestemte strukturer baseret på beregning af de vekselvirkende energier for både bor- og substratatomer. Deres modeller matchede mange af de borofenbilleder, der blev produceret i Northwestern.

"Vi lærte af simuleringerne, at graden af ​​ladningsoverførsel fra metalsubstratet til borofen er vigtig, "sagde han." Hvor meget af det sker, fra ingenting til meget, kan gøre en forskel. "

Forskerne bekræftede gennem deres analyse, at borofen heller ikke er en epitaksial film. Med andre ord, substratets atomarrangement dikterer ikke arrangementet eller rotationsvinklen af ​​borofen.

Teamet fremstillede et fasediagram, der beskriver, hvordan borofen sandsynligvis vil dannes under visse temperaturer og på en række forskellige underlag, og bemærkede, at deres mikroskopi-fremskridt vil være værdifulde til at finde atomstrukturer i nye 2-D-materialer.

Ser man på fremtiden, Hersam sagde, "Udviklingen af ​​metoder til karakterisering og styring af borofens atomstruktur er et vigtigt skridt i retning af at realisere de mange foreslåede anvendelser af dette materiale, som spænder fra fleksibel elektronik til nye emner inden for kvanteinformationsvidenskab. "