Immagini STM ad alta risoluzione di monostrato di borofene con reticolo a nido d'ape su Al(1 1 1). Credito:©Science China Press
Il borofene è noto per avere un reticolo triangolare con fori, mentre si prevedeva che un reticolo a nido d'ape di boro fosse energeticamente instabile. Però, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. K. H. Wu presso l'Istituto di Fisica, Accademia cinese delle scienze, fabbricato con successo un borofene puro simile al grafene utilizzando una superficie di Al(111) come substrato e l'epitassia del fascio molecolare nel vuoto ultraelevato, fornendo una piattaforma ideale per materiali a base di boro artificiale con proprietà elettroniche intriganti come gli stati di Dirac e il comportamento della superconduttività.
Gli allotropi di boro a bassa dimensionalità hanno suscitato notevole interesse negli ultimi decenni, e lavori teorici prevedono l'esistenza del boro monostrato. Poiché il boro ha solo tre elettroni di valenza, la carenza di elettroni rende energeticamente instabile un reticolo a nido d'ape di boro. Anziché, si prevedeva che un reticolo triangolare con buchi periodici fosse più stabile. Nel 2015, Il prof. Wu ha guidato un gruppo di ricerca presso l'Istituto di Fisica, Accademia cinese delle scienze, e sintetizzato con successo fogli di borofene 2-D su una superficie d'argento, che mostrano il reticolo triangolare previsto con diverse disposizioni di fori esagonali.
Una domanda intrigante è se sia possibile preparare un monostrato di borofene con un reticolo a nido d'ape puro. Il borofene a nido d'ape ospiterà naturalmente i fermioni di Dirac, e quindi, proprietà elettroniche intriganti che ricordano altri materiali 2-D elementari del gruppo IV. Inoltre, un reticolo di boro 2-D a nido d'ape può consentire la superconduttività. Nel noto superconduttore ad alta Tc, MgB2, la struttura cristallina è costituita da piani di boro con strati di Mg intercalati, dove il piano del boro ha una struttura a nido d'ape pura come il grafene. È notevole che in MgB2, la superconduttività si verifica nei piani del boro, mentre gli atomi di Mg fungono da donatori di elettroni.
Recentemente, il gruppo di ricerca guidato dal Prof. Wu ha riportato la riuscita preparazione di un borofene simile al grafene a forma di nido d'ape, utilizzando una superficie Al(1 1 1) come substrato e la crescita dell'epitassia a fascio molecolare (MBE) in ultraalto vuoto. Le immagini della microscopia a effetto tunnel (STM) rivelano un perfetto monostrato di borofene con una superficie planare, reticolo a nido d'ape non inarcato simile al grafene. I calcoli teorici mostrano che il borofene a nido d'ape su Al(1 1 1) è energeticamente stabile. Sorprendentemente, quasi una carica elettronica viene trasferita a ciascun atomo di boro dal substrato di Al(1 1 1) e stabilizza la struttura del borofene a nido d'ape. Questo lavoro dimostra la manipolazione del reticolo del borofene controllando il trasferimento di carica tra il substrato e il borofene. E il borofene a nido d'ape offre un'interessante possibilità di costruire strati atomici a base di boro con proprietà elettroniche uniche come gli stati di Dirac, nonché per controllare la superconduttività nei composti a base di boro.