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.
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.
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