Een team van wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), Northwestern University en Stony Brook University hebben, Voor de eerste keer, creëerde een tweedimensionale plaat van boor - een materiaal dat bekend staat als borofeen.

Wetenschappers zijn geïnteresseerd in tweedimensionale materialen vanwege hun unieke eigenschappen, met name met betrekking tot hun elektronische eigenschappen. Borofeen is een ongebruikelijk materiaal omdat het op nanoschaal veel metaalachtige eigenschappen vertoont, ook al is het driedimensionaal, of massa, boor is niet-metaalachtig en halfgeleidend.

Omdat borofeen zowel metaalachtig als atomair dun is, het is veelbelovend voor mogelijke toepassingen, variërend van elektronica tot fotovoltaïsche, zei Argonne nanowetenschapper Nathan Guisinger, die het experiment leidde. "Geen enkele bulkvorm van elementair boor heeft dit metaalachtige gedrag, " hij zei.

De studie zal op 18 december worden gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap .

Net als zijn buurkool uit het periodiek systeem, die in de natuur voorkomt in vormen variërend van nederig grafiet tot kostbare diamant, boor draagt ​​een aantal verschillende gezichten, allotropen genoemd. Maar daar houden de overeenkomsten op. Terwijl grafiet is samengesteld uit stapels tweedimensionale vellen die één voor één kunnen worden afgepeld, er is niet zo'n analoog proces voor het maken van tweedimensionaal boor.

"Borofenen zijn buitengewoon intrigerend omdat ze heel anders zijn dan eerder bestudeerde tweedimensionale materialen, "Zei Guisinger. "En omdat ze niet in de natuur voorkomen, de uitdaging was het ontwerpen van een experiment om ze synthetisch te produceren in ons laboratorium."

Hoewel er ten minste 16 bulkallotropen van boor bekend zijn, wetenschappers waren nog nooit in staat geweest om een ​​heel blad te maken, of monolaag, van borofeen. "Het is pas in het recente verleden dat onderzoekers kleine stukjes boor op nanoschaal hebben kunnen maken, " zei Andrew Mannix, een Northwestern afgestudeerde student en eerste auteur van de studie. "Dit is een gloednieuw materiaal met opwindende eigenschappen die we net beginnen te onderzoeken."

"Boron heeft een rijke en legendarische geschiedenis en een zeer gecompliceerde chemie, " voegde Mark Hersam eraan toe, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Northwestern's McCormick School of Engineering and Applied Science, die Mannix hielp adviseren. "Dit is iets dat gemakkelijk niet had kunnen werken, maar Andy had de moed en het doorzettingsvermogen om het voor elkaar te krijgen."

Een van de meest ongewone kenmerken van boor is de atomaire configuratie op nanoschaal. Terwijl andere tweedimensionale materialen er min of meer uitzien als perfect gladde en gelijkmatige vlakken op nanoschaal, borofeen lijkt op golfkarton, op en neer knikken, afhankelijk van hoe de booratomen aan elkaar binden, volgens Mannix.

De "ribbels" van deze kartonachtige structuur resulteren in een materieel fenomeen dat bekend staat als anisotropie, waarin de mechanische of elektronische eigenschappen van een materiaal, zoals de elektrische geleidbaarheid, richtingsafhankelijk worden. "Deze extreme anisotropie is zeldzaam in tweedimensionale materialen en is nog niet eerder gezien in een tweedimensionaal metaal, ' zei Mannix.

Gebaseerd op theoretische voorspellingen van de kenmerken van borofeen, de onderzoekers merkten ook op dat het waarschijnlijk een hogere treksterkte heeft dan enig ander bekend materiaal. Treksterkte verwijst naar het vermogen van een materiaal om weerstand te bieden tegen breken wanneer het uit elkaar wordt getrokken. "Van andere tweedimensionale materialen is bekend dat ze een hoge treksterkte hebben, maar dit kan het sterkste materiaal zijn dat we tot nu toe hebben gevonden, ' zei Guisinger.

De ontdekking en synthese van borofeen werd geholpen door computersimulatiewerk onder leiding van Stony Brook-onderzoekers Xiang-Feng Zhou en Artem Oganov, die momenteel verbonden is aan het Moscow Institute of Physics and Technology en het Skolkovo Institute of Science and Technology. Oganov en Zhou gebruikten geavanceerde simulatiemethoden die de vorming van de rimpels van het gegolfde oppervlak aantoonden.

"Soms vinden experimentatoren een materiaal en vragen ze ons om de structuur op te lossen, en soms doen we eerst voorspellingen en valideert het experiment wat we vinden, " zei Oganov. "De twee gaan hand in hand, en in deze internationale samenwerking hadden we een beetje van beide."

"De verbinding die we hebben tussen de instellingen stelt ons in staat om dingen te bereiken die we alleen niet zouden kunnen, " voegde Hersam toe. "We moesten scanning tunneling microscopie combineren met röntgenfoto-elektronenspectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie om zowel een zicht op het oppervlak van het materiaal te krijgen als de dikte op atomaire schaal en chemische eigenschappen te verifiëren."

Terwijl ze de borofeenmonolaag groeiden, de onderzoekers ontdekten nog een voordeel binnen hun experimentele techniek. In tegenstelling tot eerdere experimenten waarbij zeer giftige gassen werden gebruikt bij de productie van op boor gebaseerde materialen op nanoschaal, dit experiment omvatte een niet-toxische techniek genaamd elektronenstraalverdamping, die in wezen een bronmateriaal verdampt en vervolgens een dunne film op een substraat condenseert - in dit geval boor op zilver.

"Toen we ons theoretische werk deden, Ik had twijfels over de haalbaarheid van het verkrijgen van tweedimensionaal borium omdat borium graag clusters vormt, en het gladstrijken in twee dimensies waarvan ik dacht dat het een uitdaging zou zijn, " zei Oganov. "Het bleek dat groeien op het substraat de sleutel was, want het borium en zilver blijken niet met elkaar te reageren."