Uno studio degli scienziati dei materiali della Rice University mostra che potrebbe essere possibile coltivare borofene, il boro 2D, in un modo che consenta una facile separazione da un substrato. Hanno calcolato che il borofene cresciuto su nitruro di boro esagonale consente la nucleazione del borofene lungo i bordi dei gradini nel substrato. Credito:Ksenia Bets/Rice University
Il borofene potrebbe essere allettante per gli scienziati dei materiali e iniziare a servire le loro ambizioni, se un nuovo approccio dei ricercatori della Rice University può essere trasformato in pratica.
Il teorico dei materiali Boris Yakobson della George R. Brown School of Engineering della Rice e il suo gruppo suggeriscono un metodo per sintetizzare il borofene, la versione 2D del boro, in un modo che potrebbe renderlo più facile da liberare o manipolare.
Secondo l'articolo del gruppo sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , che comporterebbe la coltivazione del materiale esotico su nitruro di boro esagonale (hBN), un isolante, piuttosto che sulle superfici metalliche più tradizionali tipicamente utilizzate nell'epitassia a fascio molecolare (MBE).
Le forze di van der Waals più deboli tra il borofene in crescita e l'hBN relativamente chimicamente inerte semplificherebbero la rimozione del materiale dal substrato da utilizzare nelle applicazioni. Consentirebbe anche una valutazione diretta più semplice del borofene (senza sollevarlo dal substrato) per le sue proprietà plasmoniche e fotoniche, cioè di gestione della luce, perché non ci sarebbe alcun substrato metallico ad interferire. Ciò aiuterebbe anche la sperimentazione sulle sue proprietà elettroniche, che potrebbero interessare coloro che studiano la superconduttività.
Il team di Yakobson, tra cui l'autore principale e studente laureato Qiyuan Ruan e i coautori Luqing Wang, un alunno di Rice, e la ricercatrice Ksenia Bets, hanno calcolato le energie a livello di atomi di borofene e hBN. Hanno scoperto che il substrato hBN step-and-plateau incoraggiava gli atomi di boro che galleggiavano nella camera MBE ad accendere, nucleando la crescita.
Poiché l'hBN, come il grafene, ha un reticolo esagonale simile a un filo di pollo, la sua disposizione atomica ha consentito anche la crescita epitassiale del bordo del nuovo cristallo che si forma sulla sua superficie. Nell'epitassia, la crescita del nuovo materiale è dettata in una certa misura dal reticolo sottostante. In questo caso, tale crescita avviene invece sul lato rialzato dell'altopiano.
In particolare, i precisi calcoli ab initio hanno mostrato che gli atomi di boro hanno un'"elevata affinità" per i passaggi hBN e i loro bordi a zigzag, aggirando la barriera alla nucleazione presentata da qualsiasi altra posizione sul substrato. Ciò consente alla crescita del cristallo di iniziare su basi solide.
"I gradini su una superficie sono entità unidimensionali e l'affinità del boro con i gradini consente la nucleazione 1D, che è nota per non possedere alcuna barriera termodinamica", ha affermato Bets. "Questo è un rompighiaccio, poiché la nucleazione avviene quasi senza barriere e quindi si estende nel borofene 2D desiderato".
Ruan ha notato che dopo aver esaminato l'idea dal punto di vista della chimica fisica, è iniziata la parte difficile. "La parte più laboriosa è stata presentare tutti i valori quantitativi e gli argomenti con la massima precisione", ha affermato. "Per le nostre grandi strutture, ciò comporta l'utilizzo di metodi computazionali piuttosto costosi e dispendiosi in termini di tempo".
Il meccanismo di crescita ha suggerito ai ricercatori di dare un'occhiata anche al popolare grafene come substrato. I loro calcoli hanno mostrato che l'energia intrinseca del reticolo del grafene intrappolerebbe atomi di boro o dimeri sulla superficie e impedirebbe loro di nucleare il borofene.
Yakobson ha una solida storia nel prevedere cosa potrebbero fare gli atomi di boro e quindi osservare i laboratori che accettano con successo la sfida. Spera niente di meno con l'ultima teoria.
"Il processo sembra molto logico e in questo modo sembra convincente, e speriamo che gli sperimentatori di tutto il mondo ci provino, come in effetti è successo con la nostra precedente proposta di sintesi sui metalli", ha affermato. "Siamo ottimisti, ma incrociamo le dita. La fortuna in laboratorio di solito implica un esito felice, ma anche una sorpresa, forse un ostacolo non previsto o desiderato."
Yakobson è Karl F. Hasselmann Professore di Scienza dei Materiali e Nanoingegneria e professore di chimica alla Rice. + Esplora ulteriormente
