Borophene heeft een bijna perfecte partner in een vorm van zilver die het trendy tweedimensionale materiaal zou kunnen helpen groeien tot ongekende lengtes.

Een goed geordend rooster van zilveratomen maakt het mogelijk om de groei van ongerept borofeen te versnellen, de atoomdikke allotroop van boor die tot nu toe alleen kan worden gevormd via synthese door moleculaire bundelepitaxie (MBE).

Door een zilversubstraat te gebruiken en door zorgvuldige manipulatie van temperatuur en depositiesnelheid, wetenschappers hebben ontdekt dat ze langwerpige zeshoekige vlokken borofeen kunnen laten groeien. Ze suggereerden dat het gebruik van een goed metalen substraat de groei van ultradunne, smalle borofeenlinten.

Nieuw werk gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang door onderzoekers van Rice en Northwestern universiteiten, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics en Argonne National Laboratory zullen de productie van het geleidende materiaal helpen stroomlijnen, die potentieel laat zien voor gebruik in draagbare en transparante elektronica, plasmonische sensoren en energieopslag.

Dat potentieel heeft de inspanningen aangewakkerd om het gemakkelijker te maken om te groeien, onder leiding van rijstmateriaalwetenschapper Boris Yakobson, een theoreticus die voorspelde dat borofeen kon worden gesynthetiseerd. Hij en medewerkers Mark Hersam van Northwestern en hoofdauteur Zhuhua Zhang, een Rice-alumnus en nu professor aan Nanjing, hebben nu door middel van theorie en experimenten aangetoond dat grootschalige, hoogwaardige monsters van borofeen zijn niet alleen mogelijk, maar maken ook kwalitatief inzicht in hun groeipatronen mogelijk.

In tegenstelling tot de zich herhalende atoomroosters in grafeen en hexagonaal boornitride, borofeen bevat een regelmatige, verweven reeks "vacatures, " ontbrekende atomen die zeshoekige gaten tussen de driehoeken achterlaten. Dit beïnvloedt niet alleen de elektronische eigenschappen van het materiaal, maar beïnvloedt ook hoe nieuwe atomen zich bij de vlok voegen terwijl deze wordt gevormd.

De berekeningen van het Yakobson-lab toonden aan dat de randenergieën - atomen die langs de randen van 2D-materialen minder stabiel zijn dan die in het binnenste - aanzienlijk lager zijn dan die in grafeen en boornitride en dat de omstandigheden kunnen worden gemanipuleerd om de randen af ​​te stemmen op optimale groei van linten.

Uit de eerste berekeningen bleek dat borofeen in evenwicht zich zou moeten vormen als een rechthoek, maar experimenten bewezen het tegendeel.

De verstorende factor zat in de randen van de vlok die, gedwongen door de vacatures, verschijnen in variaties van zigzag- en fauteuilconfiguraties. Atomen nestelen zich één voor één in de "knikken" die langs de randen verschijnen, maar omdat fauteuils energetisch stabieler zijn en een hogere barrière vormen voor de atomen, ze voegen zich liever bij de zigzaglijnen. In plaats van de vlokken in alle richtingen uit te strekken, de atomen zijn selectief over waar ze zich vestigen en verlengen in plaats daarvan de structuur.

"Op atomaire schaal, randen doen niet alsof je het rooster doorknipt met een schaar, " zei Yakobson. "De bungelende banden die je creëert, maken opnieuw contact met hun buren, en de randatomen passen zich iets anders aan, gereconstrueerde configuraties.

"Dus de oorsprong van de vormen mag niet in evenwicht liggen, " zei hij. "Ze worden veroorzaakt door de kinetiek van groei, hoe snel of langzaam de zijranden vooruitgaan. toevallig, we hadden een theoretisch raamwerk voor grafeen ontwikkeld, een nanoreactormodel dat werkt voor andere 2D-materialen, inclusief boor."

Door zowel de stroom van atomen als de temperatuur te regelen, krijgen de onderzoekers een eenvoudigere manier om de borofeensynthese te regelen.

"Silver (111) biedt een landingsplaats voor booratomen, die vervolgens langs het oppervlak diffunderen om de randen van een groeiende borofeenvlok te vinden, " zei Zhang. "Bij aankomst, de booratomen worden op de randen getild door zilver, maar hoe moeilijk zo'n lift is, hangt af van de oriëntatie van de rand. Als resultaat, een paar tegenover elkaar liggende zigzagranden groeien heel langzaam terwijl alle andere randen heel snel groeien, gemanifesteerd als een verlenging van de boorvlok."

De onderzoekers zeiden dat het vermogen om naaldachtige linten van borofeen te laten groeien hen het potentieel geeft om te dienen als atoombreedte geleidende draden voor nano-elektronica-apparaten.

"Op grafeen gebaseerde elektronica die tot nu toe is bedacht, vertrouwt meestal op lintachtige bouwstenen, "Zei Yakobson. "Metalen boorlinten met een hoge geleidbaarheid zullen een natuurlijke match zijn als onderlinge verbindingen in circuits."

Co-auteurs van het artikel zijn Xiaolong Liu uit Northwestern, Nathan Guisinger van Argonne's Center for Nanoscale Materials, Andrew Mannix van Argonne en Noordwest, en Zhili Hu van Nanjing en Rijst. Yakobson is de Karl F. Hasselmann Professor of Materials Science and Nano Engineering en een professor in de chemie bij Rice. Hersam is de Walter P. Murphy-hoogleraar Materials Science and Engineering aan Northwestern.