För första gången, Northwestern Universitys ingenjörer har skapat ett dubbelt lager av atomärt platt borofen, en bedrift som trotsar den naturliga tendensen hos bor att bilda icke-plana kluster bortom gränsen för enatomslager.

Även om det är känt för sina lovande elektroniska egenskaper, borofen - ett tjockt ark med en atoms tjocklek av bor - är utmanande att syntetisera. Till skillnad från dess analoga tvådimensionella material grafen, som kan skalas bort från medfödd skiktad grafit med något så enkelt som tejp, borofen kan inte bara skalas bort från bulkbor. Istället, borofen måste odlas direkt på ett substrat.

Och om det var svårt att odla ett lager, odling av flera lager av atomärt platt borofen verkade omöjligt. Eftersom bulkbor inte är skiktat som grafit, växande bor bortom enstaka atomlager leder till klustring snarare än plana filmer.

"När du försöker odla ett tjockare lager, boren vill anta sin bulkstruktur, " sa Northwesterns Mark C. Hersam, medförfattare till studien. "Istället för att förbli atomärt platt, tjockare borfilmer bildar partiklar och kluster. Nyckeln var att hitta tillväxtförhållanden som hindrade klustren från att bildas. Tills nu, vi trodde inte att man kunde gå längre än ett lager. Nu har vi flyttat in i outforskat territorium mellan det enda atomskiktet och huvuddelen, vilket resulterar i en ny lekplats för upptäckt."

Forskningen kommer att publiceras den 26 augusti i tidskriften Naturmaterial .

Hersam är Walter P. Murphy professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering och chef för Materials Research Science and Engineering Center. Han är också medlem av Northwesterns International Institute for Nanotechnology och Simpson Querrey Institute. Hersam ledde arbetet tillsammans med Boris Yakobson, Karl F. Hasselmann professor i teknik vid Rice University.

Fem år sedan, Hersam och hans medarbetare skapade borofen för första gången. Starkare, lättare och mer flexibel än grafen, borofen har potential att revolutionera batterier, elektronik, sensorer, solceller och kvantberäkningar. Även om teoretisk forskning förutspådde att ett dubbelskikt av borofen var möjligt, många forskare, inklusive Hersam, var inte övertygade.

"Det är utmanande att göra ett nytt material, även när teoretiskt arbete förutsäger dess existens, Hersam sa. "Teorin berättar sällan för dig de syntetiska villkoren som behövs för att uppnå den nya strukturen."

Nyckeln till de rätta förhållandena, Hersams team upptäckte, var substratet som användes för att odla materialet. I studien, Hersam och hans kollegor odlade borofen på en lägenhet, silversubstrat. När de utsätts för mycket höga temperaturer, silvret klumpas för att bilda exceptionellt platt, stora terrasser mellan trappsteg i atomär skala.

"När vi odlade borofen på dessa stora, platta terrasser, vi såg ett andra lager bildas, ", sa Hersam. "Efter den där otroliga observationen, vi fokuserade avsiktligt vår ansträngning i den riktningen. Vi letade inte efter det andra lagret när vi hittade det. Många materialupptäckter sker på detta sätt, men du måste inse möjligheten när du snubblar över något oväntat."

Det dubbelskiktade materialet bibehöll alla borofens önskvärda elektroniska egenskaper, samtidigt som det erbjuder nya fördelar. Till exempel, materialet består av två atomlagertjocka ark sammanfogade med utrymme mellan, som skulle kunna användas för energi- eller kemikalielagring.

"Det har funnits teoretiska förutsägelser om att tvåskiktsborofen är ett lovande material för batterier, Hersam sa. "Att ha utrymme mellan lagren ger en plats att hålla litiumjoner."

Hersams team hoppas att andra forskare nu blir inspirerade att fortsätta odla ännu tjockare lager av borofen eller skapa dubbla lager med olika atomgeometrier.

"Ruter, grafit, grafen och kolnanorör är alla baserade på ett grundämne (kol) med olika geometrier, " sa Hersam. "Bor verkar vara lika rikt på sina möjligheter, om inte mer så, än kol. Vi tror att vi fortfarande befinner oss i de tidiga kapitlen av den tvådimensionella borsagan."