Des scientifiques des universités Rice et Northwestern ont mis au point une technique pour obtenir des images de borophène bidimensionnel et les faire correspondre à des modèles. Le borophène polymorphe est prometteur pour l'électronique, thermique, applications optiques et autres. Les chercheurs ont également créé un diagramme de phase, à droite, avec des détails sur les polymorphes de borophène observés à ce jour. Crédit :Xiaolong Liu/Université du Nord-Ouest
Le graphène peut provenir du graphite. Mais le borophène ? La borite n'existe pas.
Contrairement à son cousin carbone, le borophène bidimensionnel ne peut pas être réduit à partir d'une forme naturelle plus grande. Le bore en vrac ne se trouve généralement qu'en combinaison avec d'autres éléments, et n'est certainement pas superposé, le borophène doit donc être fabriqué à partir des atomes. Même à ce moment là, le borophène que vous obtenez n'est peut-être pas ce dont vous avez besoin.
Pour cette raison, des chercheurs des universités Rice et Northwestern ont développé une méthode pour visualiser les cristaux de borophène en 2D, qui peuvent avoir de nombreuses configurations de réseau - appelées polymorphes - qui à leur tour déterminent leurs caractéristiques.
Savoir comment obtenir des polymorphes spécifiques pourrait aider les fabricants à incorporer le borophène avec les composants électroniques souhaitables, thermique, optiques et autres propriétés physiques dans les produits.
Boris Yakobson, un physicien des matériaux à la Brown School of Engineering de Rice, et le scientifique des matériaux Mark Hersam de Northwestern a dirigé une équipe qui a non seulement découvert comment voir les structures à l'échelle nanométrique des réseaux de borophène, mais a également construit des modèles théoriques qui ont aidé à caractériser les formes cristallines.
Leurs résultats sont publiés dans Communication Nature .
Le borophène reste difficile à fabriquer même en petites quantités. Si et quand il peut être étendu, les fabricants voudront probablement l'affiner pour les applications. Ce que les équipes Rice et Northwestern ont appris aidera à cet égard.
Le graphène prend une forme unique :un réseau d'hexagones, comme du grillage, mais le borophène parfait est une grille de triangles. Cependant, le borophène est un polymorphe, un matériau qui peut avoir plus d'une structure cristalline. Les lacunes qui laissent des motifs "d'hexagones creux" dans un réseau de borophène déterminent ses propriétés physiques et électriques.
Yakobson a déclaré qu'il pourrait théoriquement y avoir plus de 1, 000 formes de borophène, chacun avec des caractéristiques uniques.
"Il a de nombreux modèles et réseaux possibles d'atomes connectés dans le réseau, " il a dit.
Le projet a démarré au laboratoire Hersam Northwestern, où les chercheurs ont modifié la pointe émoussée d'un microscope à force atomique avec une pointe pointue d'atomes de carbone et d'oxygène. Cela leur a donné la capacité de balayer un flocon de borophène pour détecter les électrons qui correspondent aux liaisons covalentes entre les atomes de bore. Ils ont utilisé un microscope à effet tunnel à balayage modifié de la même manière pour trouver des hexagones creux où un atome de bore avait disparu.
Le balayage des flocons cultivés sur des substrats d'argent à diverses températures par épitaxie par faisceau moléculaire leur a montré une gamme de structures cristallines, à mesure que les conditions de croissance changeantes ont modifié le réseau.
"La microscopie moderne est très sophistiquée, mais le résultat est, Malheureusement, que l'image que vous obtenez est généralement difficile à interpréter, " Yakobson a dit. " C'est, il est difficile de dire qu'une image correspond à un réseau atomique particulier. C'est loin d'être évident, mais c'est là qu'interviennent la théorie et les simulations."
L'équipe de Yakobson a utilisé des simulations de premier principe pour déterminer pourquoi le borophène a adopté des structures particulières en calculant les énergies d'interaction des atomes de bore et de substrat. Leurs modèles correspondaient à de nombreuses images de borophène produites à Northwestern.
"Nous avons appris des simulations que le degré de transfert de charge du substrat métallique vers le borophène est important, " a-t-il dit. " Combien de cela se passe, de rien à beaucoup, peut faire la différence."
Les chercheurs ont confirmé par leur analyse que le borophène n'est pas non plus un film épitaxié. En d'autres termes, l'arrangement atomique du substrat ne dicte pas l'arrangement ou l'angle de rotation du borophène.
L'équipe a produit un diagramme de phase qui explique comment le borophène est susceptible de se former sous certaines températures et sur une variété de substrats, et ont noté que leurs avancées en microscopie seront précieuses pour trouver les structures atomiques des matériaux 2D émergents.
En regardant vers l'avenir, Hersam a dit, "Le développement de méthodes pour caractériser et contrôler la structure atomique du borophène est une étape importante vers la réalisation des nombreuses applications proposées de ce matériau, qui vont de l'électronique flexible aux sujets émergents dans les sciences de l'information quantique."
