Borophene peut être fait pour séduire les scientifiques des matériaux et commencer à servir leurs ambitions, si une nouvelle approche des chercheurs de l'Université Rice peut être mise en pratique.

Le théoricien des matériaux Boris Yakobson de la George R. Brown School of Engineering de Rice et son groupe proposent une méthode pour synthétiser le borophène, la version 2D du bore, d'une manière qui pourrait faciliter sa libération ou sa manipulation.

Selon l'article du groupe dans la revue American Chemical Society ACS Nano , cela impliquerait de faire pousser le matériau exotique sur du nitrure de bore hexagonal (hBN), un isolant, plutôt que sur les surfaces métalliques plus traditionnelles généralement utilisées dans l'épitaxie par jet moléculaire (MBE).

Les forces de van der Waals plus faibles entre le borophène en croissance et le hBN relativement inerte chimiquement faciliteraient le retrait du matériau du substrat pour l'utiliser dans des applications. Cela permettrait également une évaluation directe plus simple du borophène (sans le soulever du substrat) pour ses propriétés plasmoniques et photoniques, c'est-à-dire de traitement de la lumière, car il n'y aurait pas de substrat métallique pour interférer. Cela faciliterait également l'expérimentation de ses propriétés électroniques, ce qui pourrait intéresser ceux qui étudient la supraconductivité.

L'équipe de Yakobson, comprenant l'auteur principal et étudiant diplômé Qiyuan Ruan et les co-auteurs Luqing Wang, un ancien élève de Rice, et la chercheuse Ksenia Bets, ont calculé les énergies au niveau atomique du borophène et du hBN. Ils ont découvert que le substrat hBN à étages et plateaux encourageait les atomes de bore flottant dans la chambre MBE à s'allumer et à générer une croissance.

Parce que le hBN, comme le graphène, a un réseau hexagonal en forme de fil de poulet, son arrangement atomique a également permis la croissance épitaxiale des bords du nouveau cristal se formant à sa surface. En épitaxie, la croissance du nouveau matériau est dictée dans une certaine mesure par le réseau ci-dessous. Dans ce cas, cette croissance se produit plutôt sur le côté surélevé du plateau.

En particulier, les calculs ab initio précis ont montré que les atomes de bore ont une "haute affinité" pour les étapes hBN et leurs bords en zigzag, contournant la barrière à la nucléation présentée par tout autre emplacement sur le substrat. Cela permet à la croissance du cristal de commencer sur une base solide.

"Les marches sur une surface sont des entités unidimensionnelles et l'affinité du bore avec les marches permet la nucléation 1D, qui est connue pour ne posséder aucune barrière thermodynamique", a déclaré Bets. "Il s'agit d'un brise-glace, car la nucléation se produit presque sans barrière et s'étend ensuite dans le borophène 2D souhaité."

Ruan a noté qu'après avoir examiné l'idée du point de vue de la chimie physique, la partie la plus difficile a commencé. "La partie la plus laborieuse a été de présenter toutes les valeurs quantitatives et les arguments avec la plus grande précision", a-t-il déclaré. "Pour nos grandes structures, cela implique d'utiliser des méthodes de calcul plutôt coûteuses et chronophages."

Le mécanisme de croissance a suggéré aux chercheurs de se pencher également sur le graphène populaire en tant que substrat. Leurs calculs ont montré que l'énergie de réseau inhérente au graphène emprisonnerait les atomes de bore ou les dimères à la surface et les empêcherait de nucléer le borophène.

Yakobson a l'habitude de prédire ce que les atomes de bore pourraient faire, puis de regarder les laboratoires relever le défi avec succès. Il n'en espère pas moins avec la dernière théorie.

"Le processus semble très logique et cette voie semble convaincante, et nous espérons que les expérimentateurs du monde entier l'essaieront, comme cela s'est effectivement produit avec notre précédente proposition de synthèse sur les métaux", a-t-il déclaré. "Nous sommes optimistes mais croisons les doigts. La sérendipité dans le laboratoire implique généralement un résultat heureux, mais aussi une surprise, peut-être un obstacle non prévu ou souhaité."

Yakobson est professeur Karl F. Hasselmann de science des matériaux et de nanoingénierie et professeur de chimie à Rice. + Explorer plus loin

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