Ученые из США, Китая и России синтезировали двумерный кристалл бора - лист толщиной в один атом, подобный графену по структуре, обладающий высокой прочностью, проводимостью и другими уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании наноэлектронных устройств и фотоэлементов. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Science (от ред. статья Andrew J. Mannix, Xiang-Feng Zhou, Brian Kiraly, Joshua D. Wood, Diego Alducin, Benjamin D. Myers, Xiaolong Liu, Brandon L. Fisher, Ulises Santiago, Jeffrey R. Guest, Miguel Jose Yacaman, Arturo Ponce, Artem R. Oganov, Mark C. Hersam, and Nathan P. Guisinger. Synthesis of borophenes: Anisotropic, two- dimensional boron polymorphs. DOI: 10.1126/science.aad1080).
«Ни одна из объёмных форма бора не обладает подобными металлическими свойствами, — говорит ведущий автор статьи Натан Гайзингер (Nathan Guisinger) из Аргоннской национальной лаборатории (США). — По всей видимости, мы нашли лидера по прочности на растяжение среди двумерных материалов».
Двумерными материалами называют «плоские кристаллы» толщиной в один или несколько атомов. Хотя они состоят из тех же атомов, что и обычные трехмерные кристаллы, их физические и химические свойства могут кардинально отличаться. Самый знаменитый двумерный материал - графен, состоящий из атомов углерода. За его создание выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новосёлов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. В отличие от других углеродных материалов, двумерный графен хорошо проводит электричество, причем электроны в нем должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.
Бор и углерод - соседи в таблице Менделеева, их химические свойства сходны, но метод получения графена, придуманный Геймом и Новоселовым - «отщепление» углеродных листков от поверхности графита - не работает для бора, поскольку структура ни одной из известных аллотропных модификаций бора не содержит явно выраженных слоев.
Интерес к созданию двумерного бора - борофена – подстегнули около года назад работы двух независимых друг от друга научных групп. В первой работе учёные из университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества. Однако группа под руководством кристаллографа Артёма Оганова (профессора Сколковского Института науки и технологий и Университета штата Нью-Йорк, а также заведующего лабораторией Московского физико-технического института) с помощью методов компьютерного моделирования продемонстрировала, что подобная структура не может быть плоской и стабильной, предложив альтернативное строение листа борофена.
По словам Оганова, результаты расчётов заставили сомневаться в том, что синтез этого материала вообще возможен, поскольку атомы бора “предпочитали” собираться в наночастицы, “разгладить” которые по его мнению было бы непросто. Кроме того, бор образует стабильные соединения почти со всеми известными элементами.
Однако учёным из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) удалось найти элегантное решение: борофен выращивали на подложке из серебра. Эти элементы слабо взаимодействуют друг с другом, благодаря чему и получилось синтезировать новый материал. Атомы бора напылялись с помощью техники электронно-лучевого испарения, это позволило избежать использования высокотоксичных газов. Получившийся материал исследовался с помощью методов электронной и сканирующей туннельной микроскопии. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическим предсказанием структуры борофена, проведённым сотрудникомОганова, профессором Сянфеном Чжоу (Xiang-Feng Zhou), подтвердило, что был получен именно этот материал.
"Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми и эксперимент подтверждает наши открытия. Теория и эксперимент движутся рука об руку, и от этого сотрудничества выигрывает любое исследование”, - комментирует текущую работу Оганов.
Структура борофена Атомы бора расположены в виде гофированной структуры, что обеспечивает необычные свойства материала
Борофен получился не плоским, а, как и предсказывали Чжоу и Оганов, гофрированным. Если другие двумерные материалы выглядят как плоскости, борофен напоминает лист гофрированного картона, изгибающийся вверх и вниз в зависимости от связей между атомами бора. Такая структура делает борофен анизотропным, то есть механические и электронные свойства этого материала зависят от выбранного направления. Борофен, как и графен, проводит электрический ток, поэтому это первый известный ученым двумерный анизотропный металл.
На этом необычные свойства этого материала не заканчиваются. Согласно теоретическим предсказаниям, борофен обладает наибольшей прочностью на разрыв по сравнению с любым другим известным материалом. "По всей видимости мы нашли лидера по прочности среди двумерных материалов", - заявил Гайзенгер.
Безусловно, борофен нуждается в дальнейшем изучении, но авторы исследования уверены в том, что новый материал обладает большим потенциалом для применения в наноэлектронике.
