Grafeen kan uit grafiet komen. Maar borofeen? Er bestaat niet zoiets als boriet.

In tegenstelling tot zijn koolstofneef, tweedimensionaal borofeen kan niet worden gereduceerd uit een grotere natuurlijke vorm. Bulkboor wordt meestal alleen gevonden in combinatie met andere elementen, en is zeker niet gelaagd, dus borofeen moet van de atomen worden gemaakt. Zelfs dan, het borofeen dat je krijgt is misschien niet wat je nodig hebt.

Om die reden, onderzoekers van Rice en Northwestern universiteiten hebben een methode ontwikkeld om 2-D borofeenkristallen te bekijken, die veel roosterconfiguraties kunnen hebben - polymorfen genaamd - die op hun beurt hun kenmerken bepalen.

Weten hoe ze specifieke polymorfen kunnen bereiken, zou fabrikanten kunnen helpen om borofeen op te nemen in de gewenste elektronische, thermisch, optische en andere fysieke eigenschappen in producten.

Boris Yakobson, een materiaalfysicus aan Rice's Brown School of Engineering, en materiaalwetenschapper Mark Hersam van Northwestern leidde een team dat niet alleen ontdekte hoe de structuren op nanoschaal van borofeenroosters konden worden gezien, maar ook theoretische modellen bouwde die hielpen bij het karakteriseren van de kristallijne vormen.

Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Borofeen blijft moeilijk te maken, zelfs in kleine hoeveelheden. Als en wanneer het kan worden opgeschaald, fabrikanten zullen het waarschijnlijk willen verfijnen voor toepassingen. Wat de Rice en Northwestern-teams hebben geleerd, zal daarbij helpen.

Grafeen heeft een enkele vorm:een reeks zeshoeken, zoals kippengaas, maar perfect borofeen is een raster van driehoeken. Echter, borofeen is een polymorf, een materiaal dat meer dan één kristalstructuur kan hebben. Vacatures die patronen van "holle zeshoeken" in een borofeenrooster achterlaten, bepalen de fysieke en elektrische eigenschappen.

Yakobson zei dat er in theorie meer dan 1 zouden kunnen zijn. 000 vormen van borofeen, elk met unieke kenmerken.

"Het heeft veel mogelijke patronen en netwerken van atomen die in het rooster zijn verbonden, " hij zei.

Het project begon in het Northwestern-lab van Hersam, waar onderzoekers de stompe punt van een atoomkrachtmicroscoop wijzigden met een scherpe punt van koolstof- en zuurstofatomen. Dat gaf hen de mogelijkheid om een ​​vlok borofeen te scannen om elektronen te detecteren die overeenkomen met covalente bindingen tussen booratomen. Ze gebruikten een soortgelijk aangepaste scanning tunneling microscoop om holle zeshoeken te vinden waar een booratoom was verdwenen.

Scanning-vlokken die op zilversubstraten onder verschillende temperaturen werden gekweekt via moleculaire bundelepitaxie, toonden hen een reeks kristalstructuren, omdat de veranderende groeiomstandigheden het rooster veranderden.

"Moderne microscopie is zeer geavanceerd, maar het resultaat is helaas, dat het beeld dat u krijgt over het algemeen moeilijk te interpreteren is, " zei Yakobson. "Dat wil zeggen, het is moeilijk te zeggen dat een afbeelding overeenkomt met een bepaald atoomrooster. Het is verre van duidelijk, maar dat is waar theorie en simulaties binnenkomen."

Het team van Yakobson gebruikte eerste-principesimulaties om te bepalen waarom borofeen bepaalde structuren aannam op basis van het berekenen van de interactie-energieën van zowel boor- als substraatatomen. Hun modellen kwamen overeen met veel van de borofeenbeelden die in Northwestern werden geproduceerd.

"We hebben uit de simulaties geleerd dat de mate van ladingsoverdracht van het metalen substraat naar borofeen belangrijk is, "zei hij. "Hoeveel hiervan gebeurt, van niets tot veel, het verschil kan maken."

De onderzoekers bevestigden door hun analyse dat borofeen ook geen epitaxiale film is. Met andere woorden, de atomaire opstelling van het substraat dicteert niet de opstelling of rotatiehoek van borofeen.

Het team produceerde een fasediagram dat aangeeft hoe borofeen zich waarschijnlijk zal vormen onder bepaalde temperaturen en op verschillende substraten, en merkten op dat hun microscopische vooruitgang waardevol zal zijn voor het vinden van de atomaire structuren van opkomende 2D-materialen.

Kijkend naar de toekomst, Hersam zei, "De ontwikkeling van methoden om de atomaire structuur van borofeen te karakteriseren en te beheersen, is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van de vele voorgestelde toepassingen van dit materiaal, die variëren van flexibele elektronica tot opkomende onderwerpen in de kwantuminformatiewetenschappen."