Международной группе ученых впервые удалось получить структуру, которая может стать основой борофена, перспективного двумерного материала, способного затмить даже графен. Результаты работы Артема Оганова, Сянфэна Чжоу (Xiang-Feng Zhou) и их коллег из США, России и Китая публикует журнал Science.
Расчеты показывают, что бор может образовывать ряд сложных высокомолекулярных структур, подобных тем, что известны для углерода, включая сферические фуллерены и плоский графен. Более того, ожидается, что двумерная матрица «борофена», сложенная всего одним слоем атомов, будет обладать целым спектром уникальных свойств, недоступных и графену. Однако если фуллерен из 40 атомов бора не так давно был синтезирован, то борофен до сих пор остается предметом активных поисков : простая гексагональная кристаллическая решетка, как у графена, в случае бора будет нестабильна.
В 2007 г. йельский физик Сохраб Измаил-Бейги (Sohrab Ismail-Beigi) теоретически показал, что стабилизировать двумерную гексагональную структуру из атомов бора можно, оставив на месте некоторых узлов в ней пустые «дырки». В 2014 г. Лайшен Ван (Lai-Sheng Wang) и его коллеги попробовали получить такую структуру, испаряя бор и осаждая его в струе гелия. Им удалось получить стабильные кластеры, состоящие из 36 атомов и во многом напоминающие предсказания Измаил–Бейги. Эти кластеры оказались не слишком плоскими, однако ученые предположили, что если удалить из них еще некоторые атомы, то их можно будет объединить в достаточно плоский лист.
Структура борофена. Изображение: МФТИ
С другой стороны, моделирование, проведенное Артемом Огановым из МФТИ и его коллегой по Университету штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук Сянфэном Чжоу, показало, что плоская структура, которую попытался реализовать Лайшен Ван, все равно окажется нестабильной. Стремясь к более устойчивой форме, она начнет присоединять дополнительные атомы и перестанет быть плоской – а значит, не сможет стать основой двумерного борофена. Однако существуют и другие варианты базовой структуры двумерного борофена. Одну из них Оганов и Чжоу теоретически описали в той же работе – а недавно их коллегам из США удалось и получить ее в лаборатории.
Синтез велся в условиях ультраглубокого вакуума, при высокой температуре, используя метод электронно-лучевого испарения и осаждая бор на инертную подложку из серебра. Полученный материал исследовали с помощью сканирующей туннельной микроскопии и дифракции медленных электронов, доказав его сходство со структурой борофена, предсказанной Чжоу и Огановым – в том числе и его не совсем плоскую, «гофрированную» поверхность.
«Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми, и эксперимент подтверждает наши открытия», – приводит слова Артема Оганова пресс-релиз МФТИ.
Подтвердились и другие теоретические расчеты свойств борофена – в частности, анизотропия, металлические свойства и электропроводность. Авторы указывают и на предсказанную большую прочность материала на растяжение. Рассказывая о работе в редакторской заметке в Science, Герман Сачдев (Hermann Sachdev) замечает, что такие свойства не может предложить ни одно другое известное вещество из способных к формированию двумерных структур.
«С учетом всего сказанного, – резюмирует Сачдев, – борофен может сыграть ключевую роль в будущих исследованиях двумерных материалов».
Автор: Роман Фишман
