Более десяти лет назад исследователи из Университета Райса во главе с ученым-материаловедом Борисом Якобсоном предсказали, что атомы бора будут слишком плотно прилегать к меди, образуя борофен — гибкий металлический двумерный материал, обладающий потенциалом для использования в электронике, энергетике и катализе. Теперь новое исследование показывает, что этот прогноз оправдывается, но не так, как кто-либо ожидал.
В отличие от таких систем, как графен на меди, где атомы могут диффундировать в подложку, не образуя отдельного сплава, атомы бора в данном случае образовали определенный двумерный борид меди — новое соединение с отличной атомной структурой. Открытие, опубликованное в журнале Science Advances исследователями из Райса и Северо-Западного университета, закладывает основу для дальнейшего изучения относительно неизученного класса двумерных материалов.
«Борофен по-прежнему является материалом, находящимся на грани существования, и это делает важным любой новый факт о нем, расширяя границы наших знаний в области материалов, физики и электроники», — сказал Якобсон, профессор инженерного факультета имени Карла Ф. Хассельмана в Rice и профессор материаловедения, наноинженерии и химии. «Наш самый первый теоретический анализ предупреждал, что с медью бор будет связываться слишком прочно. Теперь, более десяти лет спустя, оказывается, что мы были правы — и в результате получился не борофен, а нечто совершенно иное».
Предыдущие исследования успешно синтезировали борофен на таких металлах, как серебро и золото, но медь оставалась открытым и спорным вопросом. Некоторые эксперименты показали, что бор может образовывать полиморфный борофен на меди, в то время как другие предполагали, что он может разделяться на фазы в бориды или даже образовывать зародыши в виде объемных кристаллов. Изучение этих возможностей потребовало уникального детального исследования, сочетающего визуализацию с высоким разрешением, спектроскопию и теоретическое моделирование.
«Мои коллеги-экспериментаторы впервые увидели эти богатые образцы изображений с атомным разрешением и спектроскопические сигнатуры, которые потребовали большой кропотливой работы по интерпретации», — сказал Якобсон.
Эти исследования выявили периодическую зигзагообразную структуру и четкие электронные подписи, которые значительно отличались от известных борофеновых фаз. Четкое соответствие между экспериментальными данными и теоретическим моделированием помогло разрешить спор о природе материала, который образуется на границе раздела между медной подложкой и средой, близкой к вакууму в камере выращивания.
Хотя борид меди не был тем материалом, который планировали создать исследователи, его открытие дает важное представление о том, как бор взаимодействует с различными металлическими подложками в двумерных средах. Эта работа расширяет знания о создании материалов из боридов металлов с атомарно-тонкой структурой — области, которая может послужить основой для будущих исследований родственных соединений, в том числе имеющих известное технологическое значение, таких как бориды металлов в составе керамики для сверхвысоких температур, которые представляют большой интерес для экстремальных условий эксплуатации и гиперзвуковых систем.
«Двумерный борид меди, вероятно, является лишь одним из многих двумерных боридов металлов, которые могут быть реализованы экспериментально. Мы с нетерпением ждем возможности изучить это новое семейство двумерных материалов, которые имеют широкий потенциал применения в различных областях — от электрохимического накопления энергии до квантовых информационных технологий», — сказал Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии Уолтера П. Мерфи в Северо-Западном университете, который является соавтором исследования.
Это открытие было сделано вскоре после другого прорыва, связанного с бором, совершенного той же командой исследователей теории Райса. В отдельном исследовании, опубликованном в ACS Nano, исследователи показали, что борофен может образовывать высококачественные боковые соединения от края до края с графеном и другими 2D-материалами, обеспечивая лучший электрический контакт, чем даже «громоздкое» золото. Сопоставление этих двух результатов подчеркивает как перспективность, так и сложность работы с бором на атомном уровне: его универсальность позволяет создавать удивительные структуры, но также затрудняет контроль.
«Те изображения, которые мы изначально видели в экспериментальных данных, выглядели довольно загадочно», — сказал Якобсон. «Но, в конце концов, все встало на свои места и дало логичный ответ — борид металла, бинго! Сначала это было неожиданно, но теперь все улажено, и наука может двигаться вперед».
Исследование было проведено при поддержке Управления военно-морских исследований (N00014-21-1-2679), Национального научного фонда (DMR-2308691) и Министерства энергетики США (2801SC0012547). Ответственность за содержание данного документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!