Le immagini al microscopio elettronico a scansione rivelano un foglio di borofene contenente domini con diversi assemblaggi periodici di noti rapporti esagono-triangolo di 1 a 5 e 1 a 6 righe, insieme a due fasi precedentemente non osservate di 7-a-36 e 4-a-21. Gli scienziati delle università Rice e Northwestern hanno effettuato la prima analisi dettagliata delle strutture ordinate dei difetti nel borofene. Credito:Hersam Research Group/Northwestern University
Borofene, la forma atomicamente piatta del boro con proprietà uniche, è ancora più interessante quando diverse forme del materiale si mescolano e si mescolano, secondo gli scienziati delle università Rice e Northwestern.
Gli scienziati delle istituzioni hanno realizzato e analizzato il borofene con diverse disposizioni reticolari e hanno scoperto quanto le varie strutture siano suscettibili di combinarsi in nuove forme simili a cristalli. Queste, hanno indicato, hanno proprietà che i produttori di elettronica potrebbero voler esplorare.
La ricerca condotta dal teorico dei materiali Rice Boris Yakobson e dallo scienziato dei materiali della Northwestern Mark Hersam appare in Materiali della natura .
Il borofene differisce dal grafene e da altri materiali 2-D in un modo importante:non appare in natura. Quando fu scoperto il grafene, è stato notoriamente strappato da un pezzo di grafite con dello scotch. Ma il boro sfuso semiconduttore non ha strati, quindi tutto il borofene è sintetico.
Inoltre, a differenza del grafene, in cui gli atomi si connettono per formare esagoni simili a fili di pollo, il borofene si forma come triangoli collegati. Periodicamente, gli atomi scompaiono dalla griglia e lasciano spazi esagonali. I laboratori hanno studiato forme di borofene con concentrazioni di "esagono cavo" di uno ogni cinque triangoli e uno ogni sei nel reticolo.
Scansione di immagini al microscopio elettronico a effetto tunnel di difetti di linea in borofene da 1 a 6 e da 1 a 5, indicato da frecce blu e rosse, rispettivamente, mostrare come i difetti si allineino in modo da preservare la natura metallica del materiale sintetico. Gli scienziati delle università Rice e Northwestern hanno effettuato la prima analisi dettagliata delle strutture ordinate dei difetti nel borofene. Credito:Hersam Research Group/Northwestern University
Queste sono le fasi più comuni che il laboratorio nordoccidentale ha osservato quando ha creato borofene su un substrato d'argento attraverso la deposizione di boro atomico in un vuoto ultraelevato, secondo i ricercatori, ma gli array di borofene "perfetti" non erano l'obiettivo dello studio.
Il laboratorio ha scoperto che a temperature comprese tra 440 e 470 gradi Celsius (824-878 gradi Fahrenheit), entrambe le fasi da 1 a 5 e da 1 a 6 sono cresciute simultaneamente sul substrato d'argento, che funge da modello che guida la deposizione degli atomi in fasi allineate. L'interesse dei laboratori è stato accresciuto da ciò che è accaduto nel punto in cui questi domini si sono incontrati. A differenza di quanto avevano osservato nel grafene, gli atomi si adattavano facilmente l'un l'altro ai confini e adottavano le strutture dei loro vicini.
Questi aggiustamenti dei confini hanno dato origine a forme più esotiche, ma ancora metalliche, di borofene, con rapporti come 4-a-21 e 7-a-36 che compaiono tra le fasi parallele.
"Nel grafene, questi confini sarebbero strutture disordinate, ma nel borofene la linea è difettosa, in effetti, sono una struttura perfetta l'uno per l'altro, " ha detto lo studente laureato di Rice Luqing Wang, che ha condotto un'analisi teorica delle energie a livello atomico per spiegare le osservazioni. "La mescolanza tra le fasi è molto diversa da quella che vediamo in altri materiali 2-D".
"Mentre ci aspettavamo qualche mescolanza tra le fasi da 1 a 5 e da 1 a 6, l'allineamento senza soluzione di continuità e l'ordinamento in strutture periodiche è stato sorprendente, " disse Hersam. "Nel limite bidimensionale, il boro ha dimostrato di essere un sistema di materiali eccezionalmente ricco e interessante."
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione (in alto) mostra due assemblaggi periodici di borofene, un sintetico, matrice bidimensionale di atomi di boro, che si uniscono ad un difetto di linea. I modelli computazionali nelle immagini centrale e inferiore corrispondono alle regioni, con 1 a 6 borofene in rosso e 1 a 5 in blu. I ricercatori delle università Rice e Northwestern hanno determinato che le fasi del borofene si allineano in modo tale che il materiale sia conduttivo, la natura metallica è mantenuta. Credito:Luqing Wang/Rice University
I calcoli della teoria del funzionale della densità di Wang hanno rivelato la natura metallica dei difetti di linea; ciò implicava che, a differenza dei difetti isolanti del grafene altrimenti metallico, hanno un impatto minimo sulle proprietà elettroniche del materiale a temperatura ambiente. A bassa temperatura, il materiale mostra evidenza di un'onda di densità di carica, un flusso di elettroni altamente ordinato.
I calcoli teorici hanno anche suggerito sottili differenze di rigidità, conducibilità termica e proprietà elettrochimiche tra fasi borofene, che ha anche suggerito che il materiale può essere messo a punto per le applicazioni.
"I polimorfismi unici del borofene sono in piena mostra in questo studio, " Ha detto Yakobson. "Questo suggerisce un'interazione intrigante nella struttura elettronica del materiale attraverso onde di densità di carica, che può portare a un'elettronica commutabile allettante."
"Come materiale atomicamente sottile, il borofene ha proprietà che dovrebbero essere funzione del substrato, materiali vicini e chimica di superficie, " ha detto Hersam. "Speriamo di ottenere un ulteriore controllo sulle sue proprietà attraverso la funzionalizzazione chimica e/o l'integrazione con altri materiali in eterostrutture".
Yakobson e Hersam sono anche co-autori di un recente Nanotecnologia della natura prospettiva sul "metallo 2-D più leggero". In quel pezzo, gli autori hanno suggerito che il borofene potrebbe essere l'ideale per interconnessioni elettroniche flessibili e trasparenti, elettrodi e display. Potrebbe anche essere adatto per dispositivi di interferenza quantistica superconduttori e, quando impilato, per lo stoccaggio dell'idrogeno e le applicazioni della batteria.
