Pour la première fois, Les ingénieurs de la Northwestern University ont créé une double couche de borophène atomiquement plat, un exploit qui défie la tendance naturelle du bore à former des amas non planaires au-delà de la limite d'une seule couche atomique.

Bien que connu pour ses propriétés électroniques prometteuses, le borophène, une feuille de bore d'une épaisseur d'un seul atome, est difficile à synthétiser. Contrairement à son matériau graphène bidimensionnel analogique, qui peut être décollé du graphite stratifié de manière innée en utilisant quelque chose d'aussi simple que du scotch, le borophène ne peut pas simplement être décollé du bore en vrac. Au lieu, le borophène doit être cultivé directement sur un substrat.

Et si faire pousser une couche était difficile, la croissance de plusieurs couches de borophène atomiquement plat semblait impossible. Parce que le bore en vrac n'est pas stratifié comme le graphite, la croissance du bore au-delà des couches atomiques uniques conduit à un regroupement plutôt qu'à des films planaires.

"Lorsque vous essayez de faire pousser une couche plus épaisse, le bore veut adopter sa structure en vrac, " a déclaré Mark C. Hersam de Northwestern, co-auteur principal de l'étude. "Plutôt que de rester atomiquement plat, des films de bore plus épais forment des particules et des amas. La clé était de trouver des conditions de croissance qui empêchaient les grappes de se former. Jusqu'à maintenant, nous ne pensions pas que vous pouviez aller au-delà d'une couche. Maintenant, nous sommes entrés dans un territoire inexploré entre la couche atomique unique et la masse, résultant en un nouveau terrain de jeu pour la découverte."

La recherche sera publiée le 26 août dans la revue Matériaux naturels .

Hersam est professeur Walter P. Murphy de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering et directeur du Materials Research Science and Engineering Center. Il est également membre du Northwestern's International Institute for Nanotechnology et du Simpson Querrey Institute. Hersam a co-dirigé les travaux avec Boris Yakobson, la Chaire Karl F. Hasselmann en Ingénierie à l'Université Rice.

Il y a cinq ans, Hersam et ses collaborateurs ont créé le borophène pour la première fois. Plus forte, plus léger et plus flexible que le graphène, le borophène a le potentiel de révolutionner les batteries, électronique, capteurs, cellules solaires et informatique quantique. Bien que la recherche théorique ait prédit qu'une double couche de borophène était possible, de nombreux chercheurs, dont Hersam, n'étaient pas convaincus.

« C'est un défi de fabriquer un nouveau matériau, même lorsque des travaux théoriques prédisent son existence, " a dit Hersam. " La théorie vous dit rarement les conditions synthétiques nécessaires pour réaliser cette nouvelle structure. "

La clé des bonnes conditions, L'équipe d'Hersam a découvert, était le substrat utilisé pour la croissance du matériau. Dans l'étude, Hersam et ses collègues ont cultivé du borophène sur un plat, substrat d'argent. Lorsqu'ils sont exposés à des températures très élevées, l'argent groupé pour former exceptionnellement plat, grandes terrasses entre des grappes de marches à l'échelle atomique.

"Quand nous avons fait pousser du borophène sur ces grands, terrasses plates, nous avons vu une deuxième couche se former, " dit Hersam. " Suite à cette observation fortuite, nous avons intentionnellement concentré nos efforts dans cette direction. Nous ne cherchions pas la deuxième couche lorsque nous l'avons trouvée. De nombreuses découvertes de matériaux se produisent de cette manière, mais vous devez saisir l'opportunité lorsque vous tombez sur quelque chose d'inattendu."

Le matériau à double couche a conservé toutes les propriétés électroniques souhaitables du borophène, tout en offrant de nouveaux avantages. Par exemple, le matériau comprend deux feuilles d'une épaisseur de couche atomique liées ensemble avec un espace entre elles, qui pourrait être utilisé pour le stockage d'énergie ou de produits chimiques.

"Il y a eu des prédictions théoriques selon lesquelles le borophène bicouche est un matériau prometteur pour les batteries, " Hersam a déclaré. "Avoir de l'espace entre les couches fournit un endroit pour contenir les ions lithium."

L'équipe d'Hersam espère que d'autres chercheurs seront désormais inspirés pour continuer à faire pousser des couches de borophène encore plus épaisses ou créer des doubles couches avec différentes géométries atomiques.

"Les diamants, graphite, le graphène et les nanotubes de carbone sont tous basés sur un seul élément (le carbone) avec des géométries différentes, " dit Hersam. " Le bore semble être tout aussi riche de ses possibilités, sinon plus, que le carbone. Nous pensons que nous en sommes encore aux premiers chapitres de la saga bidimensionnelle du bore."