Le borophène a un partenaire presque parfait sous une forme d'argent qui pourrait aider le matériau bidimensionnel à la mode à atteindre des longueurs sans précédent.

Un réseau bien ordonné d'atomes d'argent permet d'accélérer la croissance du borophène vierge, l'allotrope de bore d'épaisseur atomique qui, jusqu'à présent, ne peut se former que par synthèse par épitaxie par faisceau moléculaire (MBE).

En utilisant un substrat d'argent et en manipulant soigneusement la température et la vitesse de dépôt, les scientifiques ont découvert qu'ils peuvent faire pousser des flocons de borophène allongés en forme d'hexagone. Ils ont suggéré que l'utilisation d'un substrat métallique approprié pourrait faciliter la croissance des ultraminces, rubans étroits de borophène.

Nouvel ouvrage publié dans Avancées scientifiques par des chercheurs des universités Rice et Northwestern, L'université d'aéronautique et d'astronautique de Nanjing et le laboratoire national d'Argonne contribueront à rationaliser la fabrication du matériau conducteur, qui montre un potentiel d'utilisation dans l'électronique portable et transparente, capteurs plasmoniques et stockage d'énergie.

Ce potentiel a alimenté les efforts visant à faciliter la croissance, dirigé par le scientifique des matériaux Rice Boris Yakobson, un théoricien qui a prédit que le borophène pourrait être synthétisé. Lui et ses collaborateurs Mark Hersam à Northwestern et l'auteur principal Zhuhua Zhang, un ancien élève de Rice et maintenant professeur à Nanjing, ont maintenant démontré par la théorie et l'expérimentation qu'à grande échelle, des échantillons de borophène de haute qualité sont non seulement possibles mais permettent également une compréhension qualitative de leurs schémas de croissance.

Contrairement aux réseaux atomiques répétés trouvés dans le graphène et le nitrure de bore hexagonal, le borophène incorpore un régulier, tableau tissé de "postes vacants, " les atomes manquants qui laissent des trous hexagonaux parmi les triangles. Cela affecte non seulement les propriétés électroniques du matériau, mais influence également la façon dont les nouveaux atomes rejoignent le flocon au fur et à mesure de sa formation.

Les calculs du laboratoire Yakobson ont montré que les énergies de bord - les atomes qui sont moins stables le long des bords des matériaux 2D que ceux de l'intérieur - sont nettement inférieures à celles du graphène et du nitrure de bore et que les conditions peuvent être manipulées pour régler les bords pour croissance optimale des rubans.

Les calculs initiaux ont montré que le borophène en équilibre devrait se former sous la forme d'un rectangle, mais les expériences ont prouvé le contraire.

Le facteur de confusion était dans les bords des flocons qui, forcé par les postes vacants, apparaissent dans des variations de configurations de zigzag et de fauteuil. Les atomes s'installent un à un dans les "plis" qui apparaissent le long des bords, mais comme les fauteuils sont plus stables énergétiquement et présentent une barrière plus élevée aux atomes, ils préfèrent rejoindre les zigzags. Plutôt que d'étendre les flocons dans toutes les directions, les atomes sont sélectifs quant à l'endroit où ils s'installent et allongent la structure à la place.

« A l'échelle atomique, les bords n'agissent pas comme si vous coupiez le treillis avec une paire de ciseaux, " dit Yakobson. " Les liens pendants que vous créez renouent avec leurs voisins, et les atomes de bord s'adaptent légèrement différemment, configurations reconstituées.

"Ainsi, l'origine des formes ne doit pas être en équilibre, " dit-il. " Ils sont causés par la cinétique de croissance, à quelle vitesse ou à quelle vitesse les bords latéraux avancent. Opportunément, nous avions développé un cadre théorique pour le graphène, un modèle de nanoréacteur qui fonctionne pour d'autres matériaux 2D, y compris le bore."

Le contrôle du flux d'atomes ainsi que de la température offre aux chercheurs un moyen plus simple de contrôler la synthèse du borophène.

"L'argent (111) fournit un atterrissage pour les atomes de bore, qui diffusent ensuite le long de la surface pour trouver les bords d'un flocon de borophène en croissance, " dit Zhang. " A l'arrivée, les atomes de bore sont soulevés sur les bords par l'argent, mais la difficulté d'un tel soulèvement dépend de l'orientation du bord. Par conséquent, une paire d'arêtes opposées en zigzag croît très lentement tandis que toutes les autres arêtes croissent très rapidement, manifestée comme un allongement du flocon de bore."

Les chercheurs ont déclaré que la capacité de faire croître des rubans de borophène en forme d'aiguille leur donne le potentiel de servir de fils conducteurs de largeur atomique pour les dispositifs nanoélectroniques.

"L'électronique à base de graphène qui a été conçue jusqu'à présent repose principalement sur des blocs de construction en forme de ruban, " Yakobson a déclaré. " Les rubans de bore métallique à haute conductivité seront un match naturel comme interconnexions dans les circuits. "

Les co-auteurs de l'article sont Xiaolong Liu de Northwestern, Nathan Guisinger du Centre des matériaux nanométriques d'Argonne, Andrew Mannix d'Argonne et du Nord-Ouest, et Zhili Hu de Nanjing et Rice. Yakobson est professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et de nano-ingénierie et professeur de chimie à Rice. Hersam est le professeur Walter P. Murphy de science et d'ingénierie des matériaux à Northwestern.