Svepelektronmikroskopbilder avslöjar ett borofenark som innehåller domäner med olika periodiska sammansättningar av kända hexagon-till-triangel-förhållanden på 1-till-5 och 1-till-6 rader, tillsammans med två tidigare oobserverade faser av 7-till-36 och 4-till-21. Forskare vid Rice och Northwestern universitet gjorde den första detaljerade analysen av ordnade defektstrukturer i borofen. Kredit:Hersam Research Group/Northwestern University
Borofen, den atomiskt platta formen av bor med unika egenskaper, är ännu mer intressant när olika former av materialet blandas och minglar, enligt forskare vid Rice och Northwestern universitet.
Forskare vid institutionerna tillverkade och analyserade borofen med olika gitterarrangemang och upptäckte hur mottagliga de olika strukturerna är för att kombineras till nya kristallliknande former. Dessa, de angav, har egenskaper som elektroniktillverkare kanske vill utforska.
Forskningen ledd av rismaterialteoretikern Boris Yakobson och Northwestern materialforskare Mark Hersam visas i Naturmaterial .
Borofen skiljer sig från grafen och andra 2D-material på ett viktigt sätt:Det förekommer inte i naturen. När grafen upptäcktes, den rycktes ur en grafitbit med tejp. Men halvledande bulkbor har inga lager, så allt borofen är syntetiskt.
Också till skillnad från grafen, där atomer ansluter för att bilda kycklingtrådsliknande hexagoner, borofen bildas som länkade trianglar. Med jämna mellanrum, atomer försvinner från nätet och lämnar sexkantiga vakanser. Labben undersökte former av borofen med "ihåliga hexagon"-koncentrationer av en per var femte trianglar och en per var sjätte i gittret.
Skannade tunnelelektronmikroskopbilder av linjedefekter i 1-till-6 och 1-till-5 borofen, indikeras med blå och röda pilspetsar, respektive, visa hur defekterna anpassar sig på ett sätt som bevarar det syntetiska materialets metalliska natur. Forskare vid Rice och Northwestern universitet gjorde den första detaljerade analysen av ordnade defektstrukturer i borofen. Kredit:Hersam Research Group/Northwestern University
Dessa är de vanligaste faserna som Northwestern-labbet observerade när det skapade borofen på ett silversubstrat genom atomär boravsättning i ett ultrahögt vakuum, enligt forskarna, men "perfekta" borofenmatriser var inte målet för studien.
Labbet fann att vid temperaturer mellan 440 och 470 grader Celsius (824-878 grader Fahrenheit), både 1-till-5 och 1-till-6 faser växte samtidigt på silversubstratet, som fungerar som en mall som styr avsättningen av atomer i inriktade faser. Labbens intresse ökades av det som hände där dessa domäner möttes. Till skillnad från vad de hade observerat i grafen, atomerna rymde lätt varandra vid gränserna och antog sina grannars strukturer.
Dessa gränsjusteringar gav upphov till mer exotiska – men fortfarande metalliska – former av borofen, med förhållanden såsom 4-till-21 och 7-till-36 som förekommer bland de parallella faserna.
"I grafen, dessa gränser skulle vara oordnade strukturer, men i borofen defekter linjen, i själva verket, är en perfekt struktur för varandra, " sa Rice doktorand Luqing Wang, som ledde en teoretisk analys av energier på atomnivå för att förklara observationerna. "Blandningen mellan faserna skiljer sig mycket från vad vi ser i andra 2D-material."
"Medan vi förväntade oss en viss blandning mellan 1-till-5 och 1-till-6 faserna, den sömlösa inriktningen och ordningen i periodiska strukturer var överraskande, " sa Hersam. "I den tvådimensionella gränsen, bor har visat sig vara ett exceptionellt rikt och intressant materialsystem."
En svepelektronmikroskopbild (överst) visar två periodiska sammansättningar av borofen, en syntetisk, tvådimensionell uppsättning av boratomer, som sammanfogar vid ett ledningsfel. Beräkningsmodeller i mitten och nedersta bilderna motsvarar regionerna, med 1-till-6 borofen i rött och 1-till-5 i blått. Forskare vid Rice och Northwestern-universitetet fastställde att faser av borofen är i linje på ett sådant sätt att materialet är ledande, metallisk natur bibehålls. Kredit:Luqing Wang/Rice University
Wangs beräkningar av densitetsfunktionella teorin avslöjade den metalliska naturen hos linjedefekterna; detta innebar att till skillnad från isolerande defekter i annars metallisk grafen, de har minimal inverkan på materialets elektroniska egenskaper vid rumstemperatur. Vid låg temperatur, materialet visar tecken på en laddningstäthetsvåg, ett högordnat flöde av elektroner.
Teoretiska beräkningar antydde också subtila skillnader i styvhet, värmeledningsförmåga och elektrokemiska egenskaper bland borofenfaser, vilket också föreslog att materialet kan ställas in för tillämpningar.
"De unika polymorfismerna av borofen visas fullt ut i denna studie, ", sa Yakobson. "Detta tyder på ett spännande samspel i materialets elektroniska struktur genom laddningstäthetsvågor, vilket kan leda till lockande omkopplingsbar elektronik."
"Som ett atomärt tunt material, borofen har egenskaper som bör vara en funktion av substratet, närliggande material och ytkemi, "Vi hoppas få ytterligare kontroll över dess egenskaper genom kemisk funktionalisering och/eller integration med andra material i heterostrukturer."
Yakobson och Hersam var också medförfattare till en ny Naturens nanoteknik perspektiv om "den lättaste 2D-metallen." I det stycket, författarna föreslog att borofen kan vara idealiskt för flexibla och transparenta elektroniska sammankopplingar, elektroder och displayer. Det kan också vara lämpligt för supraledande kvantinterferensenheter och, när de är staplade, för vätgaslagring och batteriapplikationer.
