Borofeen, de atomair vlakke vorm van boor met unieke eigenschappen, is nog interessanter wanneer verschillende vormen van het materiaal zich vermengen en vermengen, volgens wetenschappers van Rice en Northwestern-universiteiten.

Wetenschappers van de instellingen maakten en analyseerden borofeen met verschillende roosterarrangementen en ontdekten hoe geschikt de verschillende structuren zijn om te combineren tot nieuwe kristalachtige vormen. Deze, zij gaven aan, hebben eigenschappen die elektronicafabrikanten willen onderzoeken.

Het onderzoek onder leiding van Rice-materiaaltheoreticus Boris Yakobson en Noordwest-materiaalwetenschapper Mark Hersam verschijnt in: Natuurmaterialen .

Borofeen verschilt op een belangrijke manier van grafeen en andere 2D-materialen:het komt niet voor in de natuur. Toen grafeen werd ontdekt, het werd beroemd uit een stuk grafiet getrokken met plakband. Maar halfgeleidend bulkborium heeft geen lagen, dus alle borofeen is synthetisch.

Ook in tegenstelling tot grafeen, waarin atomen zich verbinden om kippengaasachtige zeshoeken te vormen, borofeen vormt als verbonden driehoeken. Periodiek, atomen verdwijnen uit het raster en laten zeshoekige vacatures achter. De laboratoria onderzochten vormen van borofeen met "holle zeshoek" -concentraties van één per elke vijf driehoeken en één per elke zes in het rooster.

Dit zijn de meest voorkomende fasen die het Northwestern-lab heeft waargenomen toen het borofeen op een zilversubstraat creëerde door atomaire boorafzetting in een ultrahoog vacuüm, volgens de onderzoekers maar "perfecte" borofeenarrays waren niet het doel van het onderzoek.

Het lab ontdekte dat bij temperaturen tussen 440 en 470 graden Celsius (824-878 graden Fahrenheit), zowel 1-op-5 als 1-op-6 fasen groeiden gelijktijdig op het zilversubstraat, die fungeert als een sjabloon die de afzetting van atomen in uitgelijnde fasen leidt. De belangstelling van de laboratoria werd vergroot door wat er gebeurde waar deze domeinen elkaar ontmoetten. In tegenstelling tot wat ze hadden waargenomen in grafeen, de atomen accommoderen elkaar gemakkelijk aan de grenzen en namen de structuren van hun buren over.

Deze grensaanpassingen gaven aanleiding tot meer exotische, maar nog steeds metaalachtige vormen van borofeen, met verhoudingen zoals 4-tot-21 en 7-tot-36 verschijnen tussen de parallelle fasen.

"In grafeen, deze grenzen zouden ongeordende structuren zijn, maar in borofeen de lijndefecten, in werkelijkheid, zijn een perfecte structuur voor elkaar, " zei Rice afgestudeerde student Luqing Wang, die een theoretische analyse van energieën op atoomniveau leidde om de waarnemingen te verklaren. "De vermenging tussen de fasen is heel anders dan wat we zien in andere 2D-materialen."

"Hoewel we enige vermenging tussen de 1-op-5 en 1-op-6 fasen verwachtten, de naadloze uitlijning en ordening in periodieke structuren was verrassend, "Zei Hersam. "In de tweedimensionale limiet, boor heeft bewezen een uitzonderlijk rijk en interessant materiaalsysteem te zijn."

Wang's berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie onthulden de metallische aard van de lijndefecten; dit impliceerde dat, in tegenstelling tot isolatiedefecten in anders metallisch grafeen, ze hebben een minimale impact op de elektronische eigenschappen van het materiaal bij kamertemperatuur. Bij lage temperatuur, het materiaal vertoont tekenen van een ladingsdichtheidsgolf, een sterk geordende stroom van elektronen.

Theoretische berekeningen suggereerden ook subtiele verschillen in stijfheid, thermische geleidbaarheid en elektrochemische eigenschappen tussen borofeenfasen, wat ook suggereerde dat het materiaal kan worden afgestemd op toepassingen.

"De unieke polymorfismen van borofeen worden volledig weergegeven in deze studie, "Zei Yakobson. "Dit suggereert een intrigerend samenspel in de elektronische structuur van het materiaal door ladingsdichtheidsgolven, wat kan leiden tot prikkelende schakelbare elektronica."

"Als een atomair dun materiaal, borofeen heeft eigenschappen die een functie van het substraat zouden moeten zijn, naburige materialen en oppervlaktechemie, " Zei Hersam. "We hopen verdere controle over zijn eigenschappen te krijgen door chemische functionalisering en/of integratie met andere materialen in heterostructuren."

Yakobson en Hersam waren ook co-auteur van een recente Natuur Nanotechnologie perspectief over "het lichtste 2-D metaal." In dat stuk, de auteurs suggereerden dat borofeen ideaal kan zijn voor flexibele en transparante elektronische verbindingen, elektroden en displays. Het zou ook geschikt kunnen zijn voor supergeleidende kwantuminterferentieapparaten en, wanneer gestapeld, voor waterstofopslag en batterijtoepassingen.