Ponad dziesięć lat temu naukowcy z Rice University pod przewodnictwem naukowca Materiałów Boris Yakobson przewidzieli, że atomy boru zbyt mocno przylegają do miedzi, aby utworzyć borofen, elastyczny, metaliczny dwuwymiarowy materiał o potencjale w elektronice, energii i katalizie. Teraz nowe badania pokazują, że prognozowanie utrzymuje się, ale nie w sposób, w jaki ktoś się spodziewał.
W przeciwieństwie do systemów takich jak grafen na miedzi, w których atomy mogą rozpowszechniać się do podłoża bez tworzenia odrębnego stopu, atomy boru w tym przypadku utworzyły zdefiniowany borid miedzi 2D – nowy związek z wyraźną strukturą atomową. Odkrycie, opublikowane w Science Advances przez naukowców z Rice i Northwestern University, przygotowuje grunt pod dalszą eksplorację stosunkowo niewykorzystanej klasy materiałów 2D.
„Borofen jest nadal materiałem na krawędzi egzystencji, a to sprawia, że każdy nowy fakt jest ważny, pchając kopertę naszej wiedzy w zakresie materiałów, fizyki i elektroniki” – powiedział Yakobson, Karl F. Hasselmann profesor inżynierii oraz profesor nauk o materiałach oraz nanoingeneru i chemii. „Nasza pierwsza analiza teoretyczna ostrzegła, że na miedzi Bor jest zbyt mocno związany. Teraz, ponad dekadę później, okazuje się, że mieliśmy rację – a rezultatem nie jest borofen, ale coś innego zupełnie”.
Poprzednie badania z powodzeniem zsyntetyzowały borofen na metalach takich jak srebro i złoto, ale miedź pozostała otwartym – i kwestionowanym – przypadkiem. Niektóre eksperymenty sugerowały, że bor może tworzyć polimorficzne borofen na miedzi, podczas gdy inne sugerują, że może on oddzielić fazę do boridów, a nawet zarodku w kryształy luzem. Rozwiązanie tych możliwości wymagało wyjątkowo szczegółowego badania łączenia obrazowania o wysokiej rozdzielczości, spektroskopii i modelowaniu teoretycznym.
„To, co moi eksperymentalistyczni koledzy po raz pierwszy zobaczyli te bogate wzorce obrazów rozdzielczości atomowej i podpisów spektroskopii, które wymagały dużo ciężkiej interpretacji” – powiedział Yakobson.
Wysiłki te ujawniły okresową nadbudową zygzakowatą i odrębne sygnatury elektroniczne, które znacząco odbiegały od znanych faz borofenowych. Silne dopasowanie danych eksperymentalnych a symulacjami teoretycznymi pomogło rozwiązać debatę na temat natury materiału, który tworzy się na interfejsie między podłożem miedzi a środowiskiem komory wzrostu.
Chociaż miedziany boride nie był badaczami materialnymi, jego odkrycie oferuje ważny wgląd w to, w jaki sposób bor oddziałuje z różnymi metalowymi substratami w dwuwymiarowych środowiskach. Praca rozszerza wiedzę na temat tworzenia się atomowo cienkich materiałów bordowych-obszaru, który może informować o przyszłych badaniach powiązanych związków, w tym o znanym znaczeniu technologicznym, takie jak bordy metalowe wśród ceramiki o ultra wysokiej temperaturze, które są bardzo interesujące dla ekstremalnych środowisk i systemów hipersonicznych.
„Borid miedziany 2D prawdopodobnie będzie tylko jednym z wielu metalowych boridów 2D, które można eksperymentalnie zrealizować. Z niecierpliwością czekamy na zbadanie tej nowej rodziny materiałów 2D, które mają szerokie potencjalne zastosowanie w aplikacjach, od elektrochemicznego magazynowania energii po technologię informacyjną kwantową”-powiedział Mark Hersam, Waleter P. Murphy Material Science and Engineering na Northwestern University, który jest współautorem w zakresie badań.
Odkrycie pojawia się wkrótce po kolejnym przełomie związanym z borami przez ten sam zespół teorii ryżu. W osobnym badaniu opublikowanym w ACS Nano badacze wykazali, że borofen może tworzyć wysokiej jakości boczne, od krawędzi grafenu i inne materiały 2D, oferując lepszy kontakt elektryczny niż nawet „nieporęczne” złoto. Zestawienie dwóch ustaleń podkreśla zarówno obietnicę, jak i wyzwanie pracy z Boriem w skali atomowej: jego wszechstronność pozwala na zaskakujące struktury, ale także utrudnia kontrolę.
„Te obrazy, które początkowo widzieliśmy w danych eksperymentalnych, wyglądały dość tajemnicze” – powiedział Yakobson. „Ale ostatecznie wszystko się ułożyło i udzieliło logicznej odpowiedzi – Metal Boride, Bingo! To było na początku nieoczekiwane, ale teraz jest ustalone – a nauka może iść naprzód”.
Badania zostały wsparte przez Office of Naval Research (N00014-21-1-2679), National Science Foundation (DMR-2308691) i Departament Energii Stanów Zjednoczonych (2801SC0012547). Treść niniejsza jest wyłącznie odpowiedzialność autorów i niekoniecznie reprezentuje oficjalne poglądy organizacji i instytucji finansujących.