Хіміки вперше синтезували борофен з гексагональною структурою

Китайські хіміки вперше синтезували плоский борофен з гексагональною структурою - повний аналог графена, але складається з атомів бору. Стабілізувати плоску гексагональну структуру борофена допомагає алюмінієва підкладка, завдяки якій в електронній структурі бору фактично з'являється зайвий електрон, пишуть вчені в.

Найвідоміший почесний матеріал, графен, являє собою плоский одноатомний шар, утворений шестикутними ґратами з атомів вуглецю. На відміну від нього атоми інших елементів - кремнію, німеччину, олову або фосфору - дуже рідко утворюють плоскі кристали і схильні до формування викривлених структур. Тільки недавно вченим вдалося отримати фрагмент плоского станена - олов'яного аналога графена - досить великої площі. Пов'язані ці складнощі зі збільшенням атомного радіусу і наявністю змішаної гібридизації електронних орбіталів. Бор, на відміну від елементів четвертої групи періодичної системи Менделєєва, володіє досить маленьким радіусом, але для нього утворення суто гексагональних решіток (як у графені) енергетично невигідно, тому експериментально плоский борофен вдавалося отримувати тільки у вигляді складної трикутної решітки, яка стабілізується за рахунок введення в структуру кристала порожніх «дірок» на місці деяких з атомів.

Раніше американські вчені успішно синтезували «гофрований» борофен, що теж являє собою трикутну решітку, але без дірок, і з двома шарами атомів. Синтез цієї модифікації почесного бору проводився за допомогою молекулярно-променевої епітаксії на підкладці зі срібла, і очікувалося, що такий кристал стане основою для «справжнього» борофена, в якому атоми бору розташовані по вузлах гексагональної решітки.

Вперше синтезували гексагональний плоский борофен китайські вчені під керівництвом Кехуея У (Kehui Wu) з Фізичного інституту Китайської академії наук. Для цього дослідники використовували підхід, схожий на той, що застосовувався і в попередній роботі: осадження атомів бора на металеву підкладку за допомогою молекулярно-променевої епітаксії. Цього разу в якості матеріалу підкладки замість срібла був використаний алюміній. За рахунок додаткових електронів, які є у атомів алюмінію можна компенсувати нестачу електронів біля бору і таким чином зробити плоску гексагональну структуру стійкою.

За допомогою цього методу хімікам дійсно вдалося синтезувати гексагональну борофен. Для отриманих почесних плівок виявилася характерна квазіперіодична трикутна структура складок, всередині якої плоскі ділянки розміром близько десяти квадратних нанометрів змінюються трикутними «випинаннями» висотою до 0,06 нанометрів. Розмір комірки склав 0,29 нанометра, що трохи менше, ніж за розрахунками повинно бути у вільної плівки (0,30 нанометра), і трохи більше, ніж відстані між атомами алюмінію в підкладці (0,286 нанометра).

Щоб пояснити причину утворення плоского борофену, вчені за допомогою комп'ютерного моделювання розрахували карту електронної щільності в борофені на алюмінієвій і срібній підкладці і показали, що в разі практично інертного срібла електрони від срібла до бору практично не переносяться, тоді як атоми алюмінію віддають електрон в структурі бору, що і робить плоску структуру борофена стійкою.

Хіміки припускають, що гексагональний борофен може мати більш цікаві властивості, ніж графен. Зокрема, очікується, що він може ставати надпровідним при відносно високій температурі. Крім того, автори роботи вважають, що електронні властивості матеріалу можна буде змінювати в досить широких межах, змінюючи підкладки, що веде до зміщення електронної щільності.

До теперішнього моменту вчені вже змогли отримати досить велику кількість почесних кристалів різних елементів, в тому числі і металів. Наприклад, нещодавно хіміки вперше отримали почесні кристали галію, а до цього фінські фізики навіть склали атлас всіх можливих акціонерних металів, розрахувавши теоретично їх механічні та електронні властивості.