Grafen kan komma från grafit. Men borofen? Det finns inget sådant som borit.

Till skillnad från sin kol kusin, tvådimensionell borofen kan inte reduceras från en större naturlig form. Bulkbor finns vanligtvis bara i kombination med andra grundämnen, och är verkligen inte skiktad, så borofen måste göras från atomerna uppåt. Även då, borofenet du får kanske inte är vad du behöver.

Av den anledningen, Forskare vid Rice och Northwestern University har utvecklat en metod för att se 2D borofenkristaller, som kan ha många gitterkonfigurationer - kallade polymorfer - som i sin tur bestämmer deras egenskaper.

Att veta hur man uppnår specifika polymorfer kan hjälpa tillverkare att införliva borofen med önskvärd elektronisk, termisk, optiska och andra fysikaliska egenskaper till produkter.

Boris Yakobson, en materialfysiker vid Rice's Brown School of Engineering, och materialforskaren Mark Hersam från Northwestern ledde ett team som inte bara upptäckte hur man kan se strukturerna i nanoskala av borofengitter utan också byggde teoretiska modeller som hjälpte till att karakterisera de kristallina formerna.

Deras resultat publiceras i Naturkommunikation .

Borofen är fortfarande svårt att göra i även små mängder. Om och när det kan skalas upp, tillverkare kommer sannolikt att vilja finjustera den för applikationer. Vad Rice och Northwestern-teamen lärde sig kommer att hjälpa i det avseendet.

Grafen har en enda form - en rad hexagoner, som kycklingnät – men perfekt borofen är ett rutnät av trianglar. Dock, borofen är en polymorf, ett material som kan ha mer än en kristallstruktur. Vakanser som lämnar mönster av "ihåliga hexagoner" i ett borofengitter bestämmer dess fysiska och elektriska egenskaper.

Yakobson sa att det teoretiskt skulle kunna vara mer än 1, 000 former av borofen, var och en med unika egenskaper.

"Den har många möjliga mönster och nätverk av atomer som är anslutna i gittret, " han sa.

Projektet startade på Hersams Northwestern lab, där forskare modifierade den trubbiga spetsen på ett atomkraftmikroskop med en vass spets av kol- och syreatomer. Det gav dem förmågan att skanna en flinga borofen för att känna av elektroner som motsvarar kovalenta bindningar mellan boratomer. De använde ett liknande modifierat skanningstunnelmikroskop för att hitta ihåliga hexagoner där en boratom hade försvunnit.

Skanna flingor odlade på silversubstrat under olika temperaturer via molekylär strålepitaxi visade dem en rad kristallstrukturer, eftersom de förändrade tillväxtförhållandena förändrade gallret.

"Modern mikroskopi är mycket sofistikerad, men resultatet är, tyvärr, att bilden du får i allmänhet är svår att tolka, " sa Yakobson. "Det vill säga, det är svårt att säga att en bild motsvarar ett visst atomgitter. Det är långt ifrån självklart, men det är där teori och simuleringar kommer in."

Yakobsons team använde simuleringar av första principen för att bestämma varför borofen antog särskilda strukturer baserat på beräkning av de interagerande energierna hos både bor- och substratatomer. Deras modeller matchade många av borofenbilderna som producerades på Northwestern.

"Vi lärde oss från simuleringarna att graden av laddningsöverföring från metallsubstratet till borofen är viktig, " sa han. "Hur mycket av detta händer, från ingenting till mycket, kan göra skillnad."

Forskarna bekräftade genom sin analys att borofen inte heller är en epitaxiell film. Med andra ord, det atomära arrangemanget av substratet dikterar inte arrangemanget eller rotationsvinkeln för borofen.

Teamet tog fram ett fasdiagram som visar hur borofen sannolikt bildas under vissa temperaturer och på en mängd olika substrat, och noterade att deras mikroskopiska framsteg kommer att vara värdefulla för att hitta atomstrukturerna hos framväxande 2D-material.

Med blicken mot framtiden, Hersam sa, "Utvecklingen av metoder för att karakterisera och kontrollera borofenens atomära struktur är ett viktigt steg mot att förverkliga de många föreslagna tillämpningarna av detta material, som sträcker sig från flexibel elektronik till framväxande ämnen inom kvantinformationsvetenskap."