Химики впервые синтезировали борофен с гексагональной структурой
W. Li et al./ Science Bulletin, 2018
Китайские химики впервые синтезировали плоский борофен с гексагональной структурой — полный аналог графена, но состоящий из атомов бора. Стабилизировать плоскую гексагональную структуру борофена помогает алюминиевая подложка, благодаря которой в электронной структуре бора фактически появляется лишний электрон, пишут ученые в Science Bulletin.
Самый известный двумерный материал, графен, представляет собой плоский одноатомный слой, образованный шестиугольной решеткой из атомов углерода. В отличие от него атомы других элементов — кремния, германия, олова или фосфора — очень редко образуют плоские кристаллы и склонны к формированию искривленных структур. Только недавно ученым удалось получить фрагмент плоского станена — оловянного аналога графена — достаточно большой площади. Связаны эти сложности с увеличением атомного радиуса и наличием смешанной гибридизации электронных орбиталей. Бор, в отличие от элементов четвертой группы периодической системы Менделеева, обладает достаточно маленьким радиусом, но для него образование чисто гексагональных решеток (как в графене) энергетически невыгодно, поэтому экспериментально плоский борофен удавалось получать только в виде сложной треугольной решетки, которая стабилизируется за счет введения в структуру кристалла пустых «дырок» на месте некоторых из атомов.
Ранее американские ученые успешно синтезировали «гофрированный» борофен, тоже представляющий собой треугольную решетку, но без дырок, и с двумя слоями атомов. Синтез этой модификации двумерного бора проводился с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии на подложке из серебра, и ожидалось, что такой кристалл станет основой для «настоящего» борофена, в котором атомы бора расположены по узлам гексагональной решетки.
Впервые синтезировали гексагональный плоский борофен китайские ученые под руководством Кэхуэя У (Kehui Wu) из Физического института Китайской академии наук. Для этого исследователи использовали подход, похожий на тот, что применялся и в предыдущей работе: осаждение атомов бора на металлическую подложку с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии. На этот раз в качестве материала подложки вместо серебра был использован алюминий. За счет дополнительных электронов, которые есть у атомов алюминия можно компенсировать недостаток электронов у бора и таким образом сделать плоскую гексагональную структуру устойчивой.
Изображения полученного борофена, полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии высокого разрешения. Размер кристалла на первом изображении составляет 15 на 15 нанометров. На втором и третьем рисунке приведены отдельные области двумерного кристалла: плоский участок борофена размером 2,4 на 2,4 нанометра — посередине, и участок искривленной структуры размером 4 на 4 нанометра — справа.
W. Li et al./ Science Bulletin, 2018
С помощью этого метода химикам действительно удалось синтезировать гексагональной борофен. Для полученных двумерных пленок оказалась характерна квазипериодическая треугольная структура складок, внутри которой плоские участки размером около десяти квадратных нанометров сменяются треугольными «выпячиваниями» высотой до 0,06 нанометров. Размер ячейки составил 0,29 нанометра, что чуть меньше, чем по расчетам должно быть у свободной пленки (0,30 нанометра), и чуть больше, чем расстояния между атомами алюминия в подложке (0,286 нанометра).
Чтобы объяснить причину образования плоского борофена, ученые с помощью компьютерного моделирования рассчитали карту электронной плотности в борофене на алюминиевой и серебряной подложке и показали, что в случае практически инертного серебра электроны от серебра к бору практически не переносятся, тогда как атомы алюминия отдают электрон в структуре бора, что и делает плоскую структуру борофена устойчивой.
Схема возможной химической структуры борофена на алюминиевой (слева) и серебряной (справа) подложках. Снизу приведены карты соответствующих электронных плотностей, которые делают устойчивой структуру борофена на алюминии и неустойчивой — на серебре. Фиолетовым цветом обозначены области повышенной электронной плотности, голубым — пониженной
W. Li et al./ Science Bulletin, 2018
Химики предполагают, что гексагональный борофен может обладать более интересными свойствами, чем графен. В частности, ожидается, что он может становиться сверхпроводящим при относительно высокой температуре. Кроме того, авторы работы считают, что электронные свойства материала можно будет менять в довольно широких пределах, меняя подложки, что ведет к смещению электронной плотности.
К настоящему моменту ученые уже смогли получить довольно большое количество двумерных кристаллов различных элементов, в том числе и металлов. Например, недавно химики впервые получили двумерные кристаллы галлия, а до этого финские физики даже составили атлас всех возможных двумерных металлов, рассчитав теоретически их механические и электронные свойства.
Александр Дубов
