Voor de eerste keer, Ingenieurs van de Northwestern University hebben een dubbele laag atomair vlak borofeen gemaakt, een prestatie die de natuurlijke neiging van boor om niet-vlakke clusters te vormen voorbij de limiet van één atomaire laag tart.

Hoewel bekend om zijn veelbelovende elektronische eigenschappen, borofeen - een laag boor met één atoomlaag - is een uitdaging om te synthetiseren. In tegenstelling tot zijn analoge tweedimensionale materiaal grafeen, die kan worden verwijderd van aangeboren gelaagde grafiet met zoiets eenvoudigs als plakband, borofeen kan niet alleen worden verwijderd van bulkboor. In plaats daarvan, borofeen moet direct op een substraat worden gekweekt.

En als het moeilijk was om één laag te kweken, het groeien van meerdere lagen atomair vlak borofeen leek onmogelijk. Omdat bulkboor niet gelaagd is zoals grafiet, groeiend boor voorbij enkele atomaire lagen leidt tot clustering in plaats van vlakke films.

"Als je een dikkere laag probeert te kweken, het boor wil zijn bulkstructuur aannemen, " zei Mark C. Hersam van Northwestern, co-senior auteur van de studie. "In plaats van atomair vlak te blijven, dikkere boorfilms vormen deeltjes en clusters. De sleutel was om groeiomstandigheden te vinden die de vorming van clusters verhinderden. Tot nu, we dachten niet dat je verder dan één laag kon gaan. Nu zijn we op onontgonnen terrein beland tussen de enkele atoomlaag en de massa, wat resulteert in een nieuwe speeltuin voor ontdekking."

Het onderzoek zal op 26 augustus in het tijdschrift worden gepubliceerd Natuurmaterialen .

Hersam is de Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering en directeur van het Materials Research Science and Engineering Center. Hij is ook lid van het Northwestern's International Institute for Nanotechnology en het Simpson Querrey Institute. Hersam leidde het werk samen met Boris Yakobson, de Karl F. Hasselmann-leerstoel in Engineering aan de Rice University.

Vijf jaar geleden, Hersam en zijn medewerkers maakten voor het eerst borofeen. sterker, lichter en flexibeler dan grafeen, borofeen heeft het potentieel om batterijen te revolutioneren, elektronica, sensoren, zonnecellen en kwantumcomputers. Hoewel theoretisch onderzoek voorspelde dat een dubbele laag borofeen mogelijk was, veel onderzoekers, inclusief Hersam, waren niet overtuigd.

"Het is een uitdaging om een ​​nieuw materiaal te maken, zelfs wanneer theoretisch werk het bestaan ​​ervan voorspelt, "Zei Hersam. "Theorie vertelt je zelden de synthetische voorwaarden die nodig zijn om die nieuwe structuur te bereiken."

De sleutel tot de juiste voorwaarden, Het team van Hersam ontdekte, was het substraat dat werd gebruikt voor het kweken van het materiaal. In de studie, Hersam en zijn collega's kweekten borofeen op een flat, zilver substraat. Bij blootstelling aan zeer hoge temperaturen, het zilver gebundeld om uitzonderlijk vlak te vormen, grote terrassen tussen trossen trappen op atomaire schaal.

"Toen we borofeen kweekten op deze grote, vlakke terrassen, we zagen een tweede laag ontstaan, "Zei Hersam. "Na die toevallige observatie, we hebben onze inspanningen bewust in die richting gericht. We waren niet op zoek naar de tweede laag toen we hem vonden. Veel materiaalvondsten vinden op deze manier plaats, maar je moet de kans grijpen als je iets onverwachts tegenkomt."

Het dubbellaagse materiaal behield alle gewenste elektronische eigenschappen van borofeen, terwijl het nieuwe voordelen biedt. Bijvoorbeeld, het materiaal bestaat uit twee atoomlaag-dikke platen die aan elkaar zijn gehecht met ruimte ertussen, die kunnen worden gebruikt voor energie- of chemische opslag.

"Er zijn theoretische voorspellingen geweest dat dubbellaags borofeen een veelbelovend materiaal is voor batterijen, "Zei Hersam. "De ruimte tussen de lagen biedt een plaats om lithiumionen vast te houden."

Het team van Hersam hoopt dat andere onderzoekers nu geïnspireerd worden om nog dikkere lagen borofeen te laten groeien of dubbele lagen met verschillende atomaire geometrieën te creëren.

"Diamanten, grafiet, grafeen en koolstofnanobuizen zijn allemaal gebaseerd op één element (koolstof) met verschillende geometrieën, "Zei Hersam. "Boron lijkt net zo rijk aan mogelijkheden, zo niet meer, dan koolstof. We zijn van mening dat we nog steeds in de eerste hoofdstukken van de tweedimensionale boor-sage zitten."