Une équipe de scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), L'Université Northwestern et l'Université Stony Brook ont, pour la première fois, créé une feuille bidimensionnelle de bore, un matériau connu sous le nom de borophène.

Les scientifiques se sont intéressés aux matériaux bidimensionnels pour leurs caractéristiques uniques, impliquant notamment leurs propriétés électroniques. Le borophène est un matériau inhabituel car il présente de nombreuses propriétés métalliques à l'échelle nanométrique même s'il est tridimensionnel, ou en vrac, le bore est non métallique et semi-conducteur.

Parce que le borophène est à la fois métallique et atomiquement mince, il est prometteur pour des applications possibles allant de l'électronique au photovoltaïque, a déclaré Nathan Guisinger, nanoscientifique d'Argonne, qui a mené l'expérience. "Aucune forme en vrac de bore élémentaire n'a ce comportement semblable à un métal, " il a dit.

L'étude sera publiée le 18 décembre par la revue Science .

Comme son voisin du tableau périodique du carbone, qui apparaît dans la nature sous des formes allant de l'humble graphite au diamant précieux, le bore a plusieurs visages, appelés allotropes. Mais c'est là que s'arrêtent les similitudes. Alors que le graphite est composé d'empilements de feuilles bidimensionnelles qui peuvent être décollées une à une, il n'existe pas de procédé analogue pour fabriquer du bore bidimensionnel.

"Les borophènes sont extrêmement intrigants car ils sont assez différents des matériaux bidimensionnels étudiés précédemment, " dit Guisinger. " Et parce qu'ils n'apparaissent pas dans la nature, le défi consistait à concevoir une expérience pour les produire synthétiquement dans notre laboratoire. »

Bien qu'au moins 16 allotropes en vrac du bore soient connus, les scientifiques n'avaient jamais été capables de faire une feuille entière auparavant, ou monocouche, de borophène. "Ce n'est que dans un passé récent que les chercheurs ont pu fabriquer de minuscules morceaux de bore à l'échelle nanométrique, " a déclaré Andrew Mannix, un étudiant diplômé du Nord-Ouest et premier auteur de l'étude. "Il s'agit d'un tout nouveau matériau doté de propriétés intéressantes que nous commençons tout juste à étudier."

"Le bore a une histoire riche et riche en histoires et une chimie très compliquée, " a ajouté Mark Hersam, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering and Applied Science de Northwestern, qui a aidé à conseiller Mannix. "C'est quelque chose qui aurait pu facilement ne pas fonctionner, mais Andy a eu le courage et la persévérance pour y arriver."

L'une des caractéristiques les plus inhabituelles du bore réside dans sa configuration atomique à l'échelle nanométrique. Alors que d'autres matériaux bidimensionnels ressemblent plus ou moins à des plans parfaitement lisses et uniformes à l'échelle nanométrique, le borophène ressemble à du carton ondulé, flambage de haut en bas en fonction de la façon dont les atomes de bore se lient les uns aux autres, selon Mannix.

Les « arêtes » de cette structure en carton se traduisent par un phénomène matériel appelé anisotropie, dans lequel les propriétés mécaniques ou électroniques d'un matériau, comme sa conductivité électrique, dépendent de la direction. "Cette anisotropie extrême est rare dans les matériaux bidimensionnels et n'a pas été vue auparavant dans un métal bidimensionnel, " a déclaré Mannix.

Sur la base des prédictions théoriques des caractéristiques du borophène, les chercheurs ont également remarqué qu'il a probablement une résistance à la traction plus élevée que tout autre matériau connu. La résistance à la traction fait référence à la capacité d'un matériau à résister à la rupture lorsqu'il est séparé. « D'autres matériaux bidimensionnels sont connus pour avoir une résistance à la traction élevée, mais cela pourrait être le matériau le plus solide que nous ayons trouvé à ce jour, ", a déclaré Guisinger.

La découverte et la synthèse du borophène ont été facilitées par des travaux de simulation informatique menés par les chercheurs de Stony Brook Xiang-Feng Zhou et Artem Oganov, qui est actuellement affilié à l'Institut de physique et de technologie de Moscou et à l'Institut de science et de technologie de Skolkovo. Oganov et Zhou ont utilisé des méthodes de simulation avancées qui ont montré la formation des plis de la surface ondulée.

"Parfois les expérimentateurs trouvent un matériau et ils nous demandent de résoudre la structure, et parfois nous faisons d'abord des prédictions et l'expérience valide ce que nous trouvons, " dit Oganov. " Les deux vont de pair, et dans cette collaboration internationale, nous avons eu un peu des deux."

« La connexion que nous avons entre les institutions nous permet de réaliser des choses que nous ne pourrions pas faire seuls, " a ajouté Hersam. " Nous avions besoin de combiner la microscopie à effet tunnel avec la spectroscopie photoélectronique à rayons X et la microscopie électronique à transmission pour à la fois obtenir une vue de la surface du matériau et vérifier son épaisseur à l'échelle atomique et ses propriétés chimiques. "

Au fur et à mesure de la croissance de la monocouche de borophène, les chercheurs ont découvert un autre avantage dans leur technique expérimentale. Contrairement aux expériences précédentes qui utilisaient des gaz hautement toxiques dans la production de matériaux à base de bore à l'échelle nanométrique, cette expérience impliquait une technique non toxique appelée évaporation par faisceau d'électrons, qui vaporise essentiellement un matériau source et condense ensuite un film mince sur un substrat - dans ce cas, bore sur argent.

« Quand nous avons fait notre travail théorique, J'avais des doutes quant à la faisabilité d'obtenir du bore bidimensionnel car le bore aime former des amas, et le repasser en deux dimensions, je pensais que ce serait un défi, " a déclaré Oganov. " Il s'est avéré que la croissance sur le substrat était la clé, car le bore et l'argent s'avèrent ne pas réagir l'un avec l'autre."