Ученые впервые синтезировали двумерный кристалл бора — борофен

Иллюстрация: Shutterstock/vchal

Работы ученых из США, Китая и России позволили синтезировать двумерный кристалл бора — лист толщиной в один атом, подобный графену по структуре, обладающий высокой прочностью, проводимостью и другими уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании наноэлектронных устройств и фотоэлементов.

«Ни одна из объемных форм бора не обладает подобными металлическими свойствами, — говорит ведущий автор статьи Натан Гайзингер из Аргоннской национальной лаборатории (США). — По всей видимости, мы нашли лидера по прочности на растяжение среди двумерных материалов».
Двумерными материалами называют «плоские кристаллы» толщиной в один или несколько атомов. Хотя они состоят из тех же атомов, что и обычные трехмерные кристаллы, их физические и химические свойства могут кардинально отличаться. Самый знаменитый двумерный материал — графен, состоящий из атомов углерода. За его создание выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. В отличие от других углеродных материалов, двумерный графен хорошо проводит электричество. Бор и углерод — соседи в таблице Менделеева, их химические свойства сходны, но метод получения графена, придуманный Геймом и Новоселовым — «отщепление» углеродных листков от поверхности графита — для бора не работает.

Интерес к созданию двумерного бора — борофена — подстегнули около года назад работы двух независимых друг от друга научных групп. В первой работе ученые из университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества. Однако группа под руководством кристаллографа Артема Оганова (профессора Сколковского Института науки и технологий и Университета штата Нью-Йорк, а также заведующего лабораторией Московского физико-технического института) с помощью методов компьютерного моделирования продемонстрировала, что подобная структура не может быть плоской и стабильной, предложив альтернативное строение листа борофена. Результаты расчетов заставили сомневаться в том, что синтез этого материала вообще возможен, поскольку атомы бора «предпочитали» собираться в наночастицы, «разгладить» которые, по мнению Оганова, было бы непросто. Кроме того, бор образует стабильные соединения почти со всеми известными элементами.

Однако ученым из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) удалось найти элегантное решение: борофен выращивали на подложке из серебра. Эти элементы слабо взаимодействуют друг с другом, благодаря чему и удалось синтезировать новый материал.

Борофен получился не плоским, а, как и предсказывали Чжоу и Оганов, гофрированным. Если другие двумерные материалы выглядят как плоскости, борофен напоминает лист гофрированного картона, изгибающийся вверх и вниз в зависимости от связей между атомами бора. Такая структура делает борофен анизотропным, то есть механические и электронные свойства этого материала зависят от выбранного направления. Борофен, как и графен, проводит электрический ток, поэтому это первый известный ученым двумерный анизотропный металл.

Безусловно, борофен нуждается в дальнейшем изучении, но авторы исследования уверены в том, что новый материал обладает большим потенциалом для применения в наноэлектронике.

Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Science.
Теги:

Читать еще на Чердаке: