Ingeniører laver dobbeltlag borophen for første gang

For første gang, Northwestern University ingeniører har skabt et dobbelt lag af atomisk fladt borophen, en bedrift, der trodser bors naturlige tendens til at danne ikke-plane klynger ud over grænsen for enkelt-atomare lag.

Selvom det er kendt for sine lovende elektroniske egenskaber, borophen - et enkelt-atom-lag-tykt ark af bor - er udfordrende at syntetisere. I modsætning til dets analoge todimensionelle materiale grafen, som kan skrælles væk fra medfødt lagdelt grafit ved hjælp af noget så simpelt som scotch tape, borophen kan ikke blot skrælles væk fra bulkbor. I stedet, borophen skal dyrkes direkte på et substrat.

Og hvis det var svært at dyrke ét lag, at dyrke flere lag af atomisk flad borophen syntes umuligt. Fordi bulkbor ikke er lagdelt som grafit, voksende bor ud over enkelte atomlag fører til klyngedannelse snarere end plane film.

"Når du prøver at dyrke et tykkere lag, boret ønsker at adoptere sin bulkstruktur, " sagde Northwesterns Mark C. Hersam, co-senior forfatter af undersøgelsen. "I stedet for at forblive atomisk fladt, tykkere borfilm danner partikler og klynger. Nøglen var at finde vækstbetingelser, der forhindrede klyngerne i at danne sig. Indtil nu, vi troede ikke, man kunne gå ud over ét lag. Nu har vi bevæget os ind i uudforsket territorium mellem det enkelte atomlag og hovedparten, resulterer i en ny legeplads til opdagelse."

Forskningen vil blive offentliggjort 26. august i tidsskriftet Naturmaterialer .

Hersam er Walter P. Murphy-professor i Materials Science and Engineering ved McCormick School of Engineering og direktør for Materials Research Science and Engineering Center. Han er også medlem af Northwesterns International Institute for Nanotechnology og Simpson Querrey Institute. Hersam ledede arbejdet sammen med Boris Yakobson, Karl F. Hasselmann-lærestolen i teknik ved Rice University.

Fem år siden, Hersam og hans samarbejdspartnere skabte borophen for første gang. Stærkere, lettere og mere fleksibel end grafen, borophen har potentialet til at revolutionere batterier, elektronik, sensorer, solceller og kvanteberegning. Selvom teoretisk forskning forudsagde, at et dobbeltlag af borophen var muligt, mange forskere, inklusive Hersam, var ikke overbevist.

"Det er udfordrende at lave et nyt materiale, selv når teoretisk arbejde forudsiger dets eksistens, Hersam sagde. "Teori fortæller dig sjældent de syntetiske betingelser, der er nødvendige for at opnå den nye struktur."

Nøglen til de rigtige forhold, Hersams team opdagede, var substratet brugt til at dyrke materialet. I undersøgelsen, Hersam og hans kolleger dyrkede borophen på en lejlighed, sølv substrat. Når de udsættes for meget høje temperaturer, sølvet bundet til at danne usædvanlig fladt, store terrasser mellem bundter af atomskala trin.

"Da vi dyrkede borophen på disse store, flade terrasser, vi så et andet lag dannes, " sagde Hersam. "Efter den serendipitære observation, vi fokuserede bevidst vores indsats i den retning. Vi ledte ikke efter det andet lag, da vi fandt det. Mange materialefund sker på denne måde, men du er nødt til at indse muligheden, når du falder over noget uventet."

Det dobbeltlagede materiale bibeholdt alle borophens ønskelige elektroniske egenskaber, og samtidig tilbyde nye fordele. For eksempel, materialet består af to atomlagstykke plader bundet sammen med mellemrum, som kunne bruges til energi- eller kemikalielagring.

"Der har været teoretiske forudsigelser om, at tolagsborophen er et lovende materiale til batterier, "Hersam sagde. "At have plads mellem lagene giver et sted at holde lithium-ioner."

Hersams team håber, at andre forskere nu bliver inspireret til at blive ved med at dyrke endnu tykkere lag af borophen eller skabe dobbeltlag med forskellige atomare geometrier.

"Diamanter, grafit, grafen og kulstof nanorør er alle baseret på ét grundstof (kulstof) med forskellige geometrier, " sagde Hersam. "Bor ser ud til at være lige så rig på sine muligheder, hvis ikke mere, end kulstof. Vi mener, at vi stadig er i de tidlige kapitler af den todimensionelle borsaga."