Хіміки навчилися вбудовувати в графенові стрічки атоми азоту і бора одночасно

Хіміки запропонували спосіб синтезу графенових нанолент шириною в три гексагональні комірки, в яких у чітко визначених позиціях атоми вуглецю замінені на азот і бір. Детально дослідити хімічну та електронну структуру отриманої сполуки вдалося за допомогою надточного атомно-силового мікроскопа, до кінчика скануючої голки якого була приєднана молекула чадного газу, пишуть вчені в.

Один з найбільш ефективних способів управління електронними та оптичними властивостями почесних кристалів - часткова зміна їх хімічного складу. Часто вчені пропонують не просто змінювати склад вже отриманого матеріалу, а з'єднувати між собою кілька ділянок різного хімічного складу. Наприклад, з почесних напівпровідників на основі діхалькогенідів перехідних металів декількох складів для управління оптичними властивостями вчені пропонують складати трикутні надрешітки або вбудовувати тонкі смужки шириною всього в кілька атомів з одного матеріалу в структуру іншого. Інший спосіб використовувати зміну хімічного складу для керування фізичними властивостями ^ ерного матеріалу - не з'єднання елементів різного хімічного складу між собою, а вбудовування в структуру окремих атомів інших елементів.

Саме такий підхід використовували хіміки з Японії, Швейцарії, Фінляндії та Німеччини під керівництвом Адама Фостера (Adam S. Foster) з Університету Аалто, розробивши спосіб вбудовування в графенові наноленти окремих атомів бору і азоту і запропонувавши методику для подальшого аналізу хімічного складу отриманого матеріалу. Графенову стрічку шириною в три гексагональні комірки, в якій в кожних 15 комірках замість однієї з пар атомів вуглецю була пара атомів азот-бір, отримували за допомогою полімерізації ароматичного галогензаміщеного з'єднання, в якому містилося два антраценових елемента (ароматична структура з трьох «склеєних» бензольних кілець) і одного дигідродибензоазоборініну (теж складається з трьох кільцевих структур, але включають в свою структуру атоми бору і азоту).

Вчені відзначають, що отримане з'єднання - перша графенова нанолента, в якій одночасно містяться атоми бору і азоту, в попередніх роботах в структуру графена подібним чином вдавалося вбудовувати лише невуглецеві атоми одного типу. Для аналізу структури та електронних властивостей отриманих на золотій підкладці графенових стрічок вчені використовували атомно-силову і скануючу тунельну мікроскопію, і всі експериментальні дані додатково підтверджували за допомогою комп'ютерного моделювання методом теорії функціоналу щільності.

Особливо у своїй роботі хіміки відзначають результати, які їм вдалося отримати за допомогою атомно-силового мікроскопа. Для проведення необхідного аналізу дослідники використовували спеціальну скануючу голку, до кінчика якої приєднувалася молекула чадного газу. Це дозволило отримати інформацію про хімічну структуру графена - і довжину зв'язків всередині нього, і елементний склад (який можна пов'язати з контрастом отриманих зображень). Зокрема, завдяки використаній техніці вчені змогли отримати дані про спотворення структури графена, вандерваальсові радіуси різних атомів і зміну локальної електронної щільності в результаті заміни вуглецю на азот і бір.

За словами вчених, отримані ними результати вкрай важливі відразу з двох точок зору. По-перше, розроблена ними методика синтезу відкриває можливості для отримання почесних вуглецевих з'єднань з заданими властивостями. По-друге, вони показали, що атомно-силова мікроскопія запропонованої конфігурації може бути відповідним інструментом для дослідження електронних і структурних властивостей подібних матеріалів і використовуватися для подібного аналізу і надалі.

Відомо, що приєднання до голки атомно-силового мікроскопа окремих молекул дозволяє отримувати зображення з атомною роздільною здатністю, однак при кількісному аналізі через слабкий зв'язок між молекулою, наприклад, CO і атомами металу цей підхід може призводити до невеликих систематичних помилок. Щоб вирішити цю проблему, вчені запропонували до кінчика голки приєднувати не молекулу, а атом кисню, який пов'язаний з атомами міді ковалентними зв'язками.