Borophene kan göras lockande materialforskare och börja tjäna deras ambitioner, om ett nytt tillvägagångssätt från Rice University forskare kan omsättas i praktiken.

Materialteoretikern Boris Yakobson från Rices George R. Brown School of Engineering och hans grupp föreslår en metod för att syntetisera borofen, 2D-versionen av bor, på ett sätt som kan göra det lättare att frigöra eller manipulera.

Enligt gruppens artikel i American Chemical Society-tidskriften ACS Nano , som skulle involvera odling av det exotiska materialet på hexagonal bornitrid (hBN), en isolator, snarare än de mer traditionella metallytorna som vanligtvis används i molekylär strålepitaxi (MBE).

De svagare van der Waals-krafterna mellan den växande borofenen och relativt kemiskt inerta hBN skulle göra det lättare att ta bort materialet från substratet för användning i applikationer. Det skulle också möjliggöra enklare direkt utvärdering av borofen (utan att lyfta det från substratet) för dess plasmoniska och fotoniska – det vill säga ljushanteringsegenskaper – eftersom det inte skulle finnas något metalliskt substrat att störa. Det skulle också hjälpa till att experimentera med dess elektroniska egenskaper, vilket kan vara av intresse för dem som studerar supraledning.

Yakobson-teamet, inklusive huvudförfattaren och doktoranden Qiyuan Ruan och medförfattarna Luqing Wang, en alumn från Rice, och forskaren Ksenia Bets, beräknade energierna på atomnivå för borofen och hBN. De fann att hBN-substratet steg-och-platå uppmuntrade boratomer som flyter i MBE-kammaren att stiga, kärnbildande tillväxt.

Eftersom hBN, liksom grafen, har ett kycklingtrådsliknande hexagonalt gitter, möjliggjorde dess atomarrangemang också kant-epitaxiell tillväxt av den nya kristallen som bildas på dess yta. I epitaxi dikteras tillväxten av det nya materialet till en viss grad av gittret nedan. I det här fallet sker den tillväxten istället på platåns upphöjda sida.

I synnerhet visade de exakta ab initio-beräkningarna att boratomer har en "hög affinitet" till hBN-stegen och deras sicksackkanter, och kringgår barriären för kärnbildning som presenteras av andra platser på substratet. Det gör att tillväxten av kristallen kan börja på en solid grund.

"Steg på en yta är endimensionella enheter och bors affinitet till steg möjliggör 1D kärnbildning, som är känd för att inte ha någon termodynamisk barriär," sa Bets. "Detta är en isbrytare, eftersom kärnbildning sker nästan barriärfri och sedan sträcker sig in i den önskade 2D-borofenen."

Ruan noterade att efter att ha granskat idén från en fysikalisk kemisynpunkt började den svåra delen. "Den mest mödosamma delen var att presentera alla kvantitativa värden och argument med högsta precision," sa han. "För våra stora strukturer innebär det att vi använder ganska dyra och tidskrävande beräkningsmetoder."

Tillväxtmekanismen föreslog att forskarna också tittade på populärt grafen som substrat. Deras beräkningar visade att grafens inneboende gitterenergi skulle fånga boratomer eller dimerer på ytan och förhindra dem från att kärnbilda borofen.

Yakobson har en gedigen historia av att förutsäga vad boratomer kan göra, och sedan titta på laboratorier som framgångsrikt antar utmaningen. Han hoppas på inget mindre med den senaste teorin.

"Processen ser väldigt logisk ut och på det här sättet verkar övertygande, och vi hoppas verkligen att experimentalister över hela världen kommer att ge det ett försök, vilket faktiskt hände med vårt tidigare förslag om syntes av metaller," sa han. "Vi är optimistiska men håller tummarna. Serendipity i labbet innebär vanligtvis ett lyckligt resultat, men också en överraskning, möjligen ett hinder som inte förväntas eller önskas."

Yakobson är Karl F. Hasselmann professor i materialvetenskap och nanoteknik och professor i kemi vid Rice. + Utforska vidare

Borofen på silver växer fritt till en atomär "hud"