Un'illustrazione mostra come i bordi sono collegati agli angoli di un fiocco di borofene. Gli scienziati dei materiali guidati dalla Rice University hanno previsto che la forma del borofene, l'allotropo 2D del boro, può essere controllato. Credito:Zhuhua Zhang/Rice University/Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Il borofene ha un partner quasi perfetto in una forma d'argento che potrebbe aiutare il materiale bidimensionale alla moda a crescere fino a lunghezze inaudite.
Un reticolo ben ordinato di atomi d'argento consente di accelerare la crescita del borofene incontaminato, l'allotropo spesso atomo di boro che finora può formarsi solo tramite sintesi mediante epitassia a fascio molecolare (MBE).
Utilizzando un substrato d'argento e attraverso un'attenta manipolazione della temperatura e della velocità di deposizione, gli scienziati hanno scoperto che possono far crescere scaglie di borofene allungate a forma esagonale. Hanno suggerito che l'uso di un substrato metallico adeguato potrebbe facilitare la crescita di ultrasottili, sottili nastri di borofene.
Nuovo lavoro pubblicato su Progressi scientifici dai ricercatori delle università Rice e Northwestern, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics e Argonne National Laboratory contribuiranno a semplificare la produzione del materiale conduttivo, che mostra il potenziale per l'uso nell'elettronica indossabile e trasparente, sensori plasmonici e accumulo di energia.
Quel potenziale ha alimentato gli sforzi per rendere più facile la crescita, guidato dallo scienziato dei materiali di riso Boris Yakobson, un teorico che predisse che il borofene poteva essere sintetizzato. Lui e i collaboratori Mark Hersam della Northwestern e l'autore principale Zhuhua Zhang, un alunno di riso e ora professore a Nanchino, hanno ora dimostrato attraverso la teoria e la sperimentazione che su larga scala, campioni di alta qualità di borofene non solo sono possibili, ma consentono anche una comprensione qualitativa dei loro modelli di crescita.
A differenza dei reticoli atomici ripetuti trovati nel grafene e nel nitruro di boro esagonale, borofene incorpora un regolare, serie intrecciata di "posti vacanti, " atomi mancanti che lasciano fori esagonali tra i triangoli. Ciò non riguarda solo le proprietà elettroniche del materiale, ma influenza anche il modo in cui nuovi atomi si uniscono al fiocco mentre si sta formando.
I calcoli del laboratorio Yakobson hanno mostrato che le energie dei bordi - atomi che sono meno stabili lungo i bordi dei materiali 2-D rispetto a quelli all'interno - sono significativamente inferiori a quelli del grafene e del nitruro di boro e che le condizioni possono essere manipolate per regolare i bordi per crescita ottimale dei nastri.
I calcoli iniziali hanno mostrato che il borofene in equilibrio dovrebbe formarsi come un rettangolo, ma gli esperimenti hanno dimostrato il contrario.
I modelli degli scienziati dei materiali della Rice University e dei loro colleghi suggeriscono un metodo per controllare la crescita del prezioso borofene bidimensionale. Il modello prevede una varietà di possibili forme dei fiocchi di boro 2D con diverse proporzioni, compresi i nastri sottili. Credito:Zhuhua Zhang/Rice University/Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Il fattore di confusione era nei bordi del fiocco che, costretto dai posti vacanti, appaiono in variazioni di configurazioni a zigzag e poltrona. Gli atomi si depositano uno ad uno nei "nodi" che appaiono lungo i bordi, ma poiché le poltrone sono più energeticamente stabili e presentano una barriera più alta agli atomi, preferiscono unire gli zigzag. Piuttosto che estendere i fiocchi in tutte le direzioni, gli atomi sono selettivi su dove si depositano e allungano invece la struttura.
"Su scala atomica, i bordi non si comportano come se si tagliasse il reticolo con un paio di forbici, " disse Yakobson. "I legami penzolanti che crei si riconnettono con i loro vicini, e gli atomi di bordo si adattano in modo leggermente diverso, configurazioni ricostruite.
"Quindi l'origine delle forme non deve trovarsi in equilibrio, " ha detto. "Sono causati dalla cinetica della crescita, quanto velocemente o lentamente avanzano i bordi laterali. Opportunamente, avevamo sviluppato un quadro teorico per il grafene, un modello di nanoreattore che funziona per altri materiali 2-D, compreso il boro."
Il controllo del flusso degli atomi e della temperatura offre ai ricercatori un modo più semplice per controllare la sintesi del borofene.
"L'argento (111) fornisce un atterraggio per gli atomi di boro, che poi si diffondono lungo la superficie per trovare i bordi di un fiocco di borofene in crescita, " disse Zhang. "All'arrivo, gli atomi di boro vengono sollevati sui bordi dall'argento, ma quanto sia difficile un tale sollevamento dipende dall'orientamento del bordo. Di conseguenza, un paio di bordi a zigzag opposti crescono molto lentamente mentre tutti gli altri bordi crescono molto velocemente, manifestato come un allungamento del fiocco di boro."
I ricercatori hanno affermato che la capacità di far crescere nastri aghiformi di borofene offre loro il potenziale per fungere da fili conduttivi della larghezza di un atomo per dispositivi nanoelettronici.
"L'elettronica basata sul grafene che è stata concepita finora si basa principalmente su blocchi di costruzione simili a nastri, " Ha detto Yakobson. "I nastri metallici di boro con alta conduttività saranno un abbinamento naturale come interconnessioni nei circuiti".
I coautori del documento sono Xiaolong Liu di Northwestern, Nathan Guisinger del Center for Nanoscale Materials di Argonne, Andrew Mannix di Argonne e Northwestern, e Zhili Hu di Nanjing e Rice. Yakobson è il professore Karl F. Hasselmann di scienza dei materiali e nanoingegneria e professore di chimica alla Rice. Hersam è il Professor Walter P. Murphy di Scienza e Ingegneria dei Materiali alla Northwestern.
