Les images au microscope électronique à balayage révèlent une feuille de borophène contenant des domaines avec différents assemblages périodiques de rapports hexagone/triangle connus de 1 à 5 et 1 à 6 rangées, ainsi que deux phases auparavant non observées de 7 à 36 et de 4 à 21. Des scientifiques des universités Rice et Northwestern ont effectué la première analyse détaillée des structures de défauts ordonnées dans le borophène. Crédit :Hersam Research Group/Northwestern University
Borophène, la forme atomiquement plate du bore aux propriétés uniques, est encore plus intéressant lorsque différentes formes de la matière se mélangent et se mélangent, selon les scientifiques des universités Rice et Northwestern.
Les scientifiques des institutions ont fabriqué et analysé du borophène avec différents arrangements de réseau et ont découvert à quel point les structures variées sont susceptibles de se combiner en de nouvelles formes cristallines. Ces, ils ont indiqué, possèdent des propriétés que les fabricants de produits électroniques peuvent souhaiter explorer.
La recherche menée par le théoricien des matériaux Rice Boris Yakobson et le scientifique des matériaux Northwestern Mark Hersam apparaît dans Matériaux naturels .
Le borophène diffère du graphène et des autres matériaux 2D d'une manière importante :il n'apparaît pas dans la nature. Lorsque le graphène a été découvert, il a été arraché d'un morceau de graphite avec du scotch. Mais le bore en vrac semi-conducteur n'a pas de couches, donc tout le borophène est synthétique.
Contrairement au graphène, dans lequel les atomes se connectent pour former des hexagones en fil de poulet, le borophène se forme sous forme de triangles liés. Périodiquement, les atomes disparaissent de la grille et laissent des lacunes hexagonales. Les laboratoires ont étudié des formes de borophène avec des concentrations "d'hexagone creux" d'un pour tous les cinq triangles et d'un pour tous les six dans le réseau.
Images au microscope électronique à effet tunnel de défauts linéaires dans le borophène 1 à 6 et 1 à 5, indiqué par des flèches bleues et rouges, respectivement, montrer comment les défauts s'alignent de manière à préserver la nature métallique du matériau synthétique. Des scientifiques des universités Rice et Northwestern ont effectué la première analyse détaillée des structures de défauts ordonnées dans le borophène. Crédit :Hersam Research Group/Northwestern University
Ce sont les phases les plus courantes que le laboratoire Northwestern a observées lorsqu'il a créé du borophène sur un substrat d'argent par dépôt de bore atomique dans un ultravide, selon les chercheurs, mais les matrices de borophène "parfaites" n'étaient pas la cible de l'étude.
Le laboratoire a découvert qu'à des températures comprises entre 440 et 470 degrés Celsius (824-878 degrés Fahrenheit), les deux phases 1 à 5 et 1 à 6 croissent simultanément sur le substrat d'argent, qui agit comme un modèle qui guide le dépôt d'atomes en phases alignées. L'intérêt des laboratoires a été accru par ce qui s'est passé là où ces domaines se sont rencontrés. Contrairement à ce qu'ils avaient observé dans le graphène, les atomes s'accommodaient facilement les uns des autres aux frontières et adoptaient les structures de leurs voisins.
Ces ajustements de limites ont donné naissance à des formes plus exotiques, mais toujours métalliques, de borophène, avec des rapports tels que 4-à-21 et 7-à-36 apparaissant parmi les phases parallèles.
« Dans le graphène, ces frontières seraient des structures désordonnées, mais dans le borophène les défauts de ligne, en effet, sont une structure parfaite l'un pour l'autre, " a déclaré Luqing Wang, étudiant diplômé de Rice, qui a mené une analyse théorique des énergies au niveau des atomes pour expliquer les observations. "Le mélange entre les phases est très différent de ce que nous voyons dans d'autres matériaux 2D."
« Alors que nous nous attendions à un certain mélange entre les phases 1 à 5 et 1 à 6, l'alignement et l'ordre sans couture dans des structures périodiques étaient surprenants, " dit Hersam. " Dans la limite bidimensionnelle, le bore s'est avéré être un système de matériaux exceptionnellement riche et intéressant."
Une image au microscope électronique à balayage (en haut) montre deux assemblages périodiques de borophène, un synthétique, réseau bidimensionnel d'atomes de bore, qui se joignent à un défaut de ligne. Les modèles informatiques dans les images du milieu et du bas correspondent aux régions, avec 1 à 6 borophène en rouge et 1 à 5 en bleu. Des chercheurs des universités Rice et Northwestern ont déterminé que les phases de borophène s'alignent de telle manière que le matériau conducteur, la nature métallique est conservée. Crédit :Luqing Wang/Université du riz
Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité de Wang ont révélé la nature métallique des défauts de ligne; cela impliquait que contrairement aux défauts isolants du graphène par ailleurs métallique, ils ont un impact minimal sur les propriétés électroniques du matériau à température ambiante. A basse température, le matériau présente des signes d'onde de densité de charge, un flux d'électrons très ordonné.
Les calculs théoriques ont également suggéré de subtiles différences de rigidité, conductivité thermique et propriétés électrochimiques parmi les phases de borophène, qui a également suggéré que le matériau peut être adapté aux applications.
"Les polymorphismes uniques du borophène sont pleinement exposés dans cette étude, " a déclaré Yakobson. " Cela suggère une interaction intrigante dans la structure électronique du matériau à travers les ondes de densité de charge, ce qui peut conduire à des composants électroniques commutables alléchants."
"En tant que matériau atomiquement mince, le borophène a des propriétés qui devraient être fonction du substrat, matériaux voisins et chimie de surface, " a déclaré Hersam. " Nous espérons mieux contrôler ses propriétés grâce à la fonctionnalisation chimique et/ou à l'intégration avec d'autres matériaux dans des hétérostructures. "
Yakobson et Hersam ont également co-écrit un récent Nature Nanotechnologie perspective sur "le métal 2D le plus léger". Dans cette pièce, les auteurs ont suggéré que le borophène pourrait être idéal pour les interconnexions électroniques flexibles et transparentes, électrodes et affichages. Il pourrait également convenir aux dispositifs d'interférence quantique supraconducteurs et, lorsqu'il est empilé, pour les applications de stockage d'hydrogène et de batteries.
