Борофен
Борофен представляет собой кристаллический атомный монослой бора , то есть двумерный аллотроп бора, также известный как лист бора .Впервые предсказанный теорией в середине 1990-х годов, [1] различные структуры борофена были экспериментально подтверждены в 2015 году. [2] [3]
Характеристики
[ редактировать ]различные атомно-тонкие, кристаллические и металлические борофены. Экспериментально на чистых металлических поверхностях в условиях сверхвысокого вакуума синтезированы [2] [3] Его атомная структура состоит из смешанных треугольных и шестиугольных мотивов, таких как показано на рисунке 1. Атомная структура является следствием взаимодействия между двухцентровыми и многоцентровыми плоскостными связями, что типично для электронодефицитных элементов, таких как бор. [4]
Борофены обладают плоскостной эластичностью и идеальной прочностью. В некоторых конфигурациях он может быть прочнее графена и более гибким. [5] Борные нанотрубки также более жесткие, чем графен, и имеют более высокий двумерный модуль Юнга , чем любые другие известные углеродные и неуглеродные наноструктуры. [6] Поскольку теоретически прогнозируется, что борофен будет иметь металлическую электронную структуру, а бор легче большинства элементов, ожидается, что борофен станет самым легким экспериментально реализуемым двумерным металлом. [7] Ожидается, что, как и большинство двумерных материалов, борофен будет обладать анизотропными свойствами. Что касается механических свойств, v 1/6 теоретически прогнозируется, что борофен (где дробь обозначает плотность полого шестиугольника) будет иметь модуль упругости в плоскости до 210 Н/м, коэффициент Пуассона до 0,17. [8] Более того, прогнозируется, что модуль будет относительно инвариантным к фазе, поскольку v изменяется от 1/5 до 1/9. [8] Это особенно важный момент, поскольку борофены подвергаются новому структурному фазовому переходу под действием плоскостной растягивающей нагрузки, а не разрушения из-за флюксиальной природы их многоцентровой плоскостной связи. [8] Также прогнозируется, что борофен v 1/6 вне плоскости будет иметь жесткость при изгибе 0,39 эВ, что меньше, чем у любого зарегистрированного двумерного материала. [8] Отношение модуля к жесткости (также известное как число Фоппла-фон Кармана на единицу площади), которое эффективно характеризует гибкость материала, составляет около 570 нм. −2 для фазы v 1/6 . Эти предсказанные свойства частично подтверждаются экспериментальными работами, в которых борофен v 1/6 был синтезирован на подложке Ag(111) с реконструированной поверхностью. [9] Вместо того, чтобы расти в виде плоских, плоских листов борофена, как ожидалось для плоских подложек Ag(111), борофен принял волнистую конфигурацию, точно повторяющую выступающие ряды, возникающие на реконструированной поверхности подложки Ag(111). [9] Идеальная гибкая электроника требует способности подвергаться нагрузкам, сжатию и даже скручиванию в широком диапазоне геометрических форм; однако большинство 2D-материалов, о которых сообщается на сегодняшний день, не могут соответствовать всем этим критериям, поскольку они устойчивы к деформации в плоскости. [9] Волнистый борофен является многообещающим материалом для гибкой электроники, поскольку волнистые 2D-материалы, приклеенные к эластомерным подложкам, должны легко сгибаться и вызывать большие деформации в плоскости. [9] Механические свойства волнистого борофена были изучены с использованием расчетов из первых принципов , и было обнаружено, что они имеют аналогичные значения вышеупомянутых механических свойств. [9] Сравнивая эти значения с графеном , прототипом 2D-материала, модуль и жесткость при изгибе борофена ниже, а коэффициент Пуассона аналогичен. [8] Примечательно, что число Фоппла-фон Кармана для фазы v 1/6 более чем в два раза превышает число графена, что указывает на то, что борофены представляют собой гибкие атомные слои. [8] Таким образом, борофены могут найти применение в качестве армирующих элементов для композитов, а также в гибких электронных межсоединениях, электродах и дисплеях. [7] [8]
Борофен также имеет потенциал в качестве анодного материала для батарей благодаря высокой теоретической удельной емкости, электронной проводимости и свойствам переноса ионов. Водород легко адсорбируется на борофене, имеет потенциал для хранения водорода – более 15% от его веса. Борофен может катализировать распад молекулярного водорода на ионы водорода и восстанавливать воду. [5]
История
[ редактировать ]
Кластер 36 можно рассматривать как наименьший борофен; вид спереди и сбоку
Компьютерные исследования И. Бустани и А. Квандта показали, что небольшие кластеры бора не принимают икосаэдрическую геометрию, как бораны , вместо этого они оказываются квазиплоскими (см. Рисунок 2). [1] Это привело к открытию так называемого принципа Ауфбау. [10] что предсказывает возможность появления борофена (листов бора), [1] фуллерены бора ( боросферен ) [11] и борные нанотрубки. [12] [13] [14]
Дополнительные исследования показали, что вытянутый треугольный борофен (рис. 1(c)) является металлическим и имеет неплоскую изогнутую геометрию. [15] [16] Дальнейшие вычислительные исследования, инициированные предсказанием стабильного B 80 , борфуллерена [17] предположили, что протяженные листы борофена с сотовой структурой и частично заполненными шестиугольными отверстиями устойчивы. [18] [19] Было предсказано, что эти структуры борофена будут металлическими. Так называемый γ-лист (также известный как борофен β 12 или лист υ 1/6 ) показан на рисунке 1(а). [19]
Планарность кластеров бора впервые была экспериментально подтверждена исследовательской группой Л.-С. Ван . [20] Позже они показали, что структура B
36 (см. рисунок 2) является наименьшим кластером бора, имеющим шестикратную симметрию и идеальную гексагональную вакансию, и что он может служить потенциальной основой для протяженных двумерных листов бора. [21]
После синтеза силицена несколько групп предсказали, что борофен потенциально может быть реализован при помощи металлической поверхности. [22] [23] [24] В частности, было показано, что структура решетки борофена зависит от поверхности металла и отличается от таковой в свободном состоянии. [25]
В 2015 году двум исследовательским группам удалось синтезировать различные фазы борофена на поверхности серебра (111) в условиях сверхвысокого вакуума. [2] [3] Среди трех синтезированных фаз борофена (см. рисунок 1) слой v 1/6 , или β 12 , как было показано более ранней теорией, является основным состоянием на поверхности Ag(111). [25] в то время как борофен χ 3 был ранее предсказан командой Цзэна в 2012 году. [26] Борофены пока существуют только на подложках; то, как перенести их на подложку, совместимую с устройством, необходимо, но остается проблемой. [27]
Синтез
[ редактировать ]Молекулярно-лучевая эпитаксия является основным методом выращивания высококачественного борофена. Высокая температура плавления бора и рост борофенов при умеренных температурах представляют собой серьезную проблему для синтеза борофенов. Используя пиролиз диборана сообщила о выращивании листов борофена атомной толщины методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) . (B2H6) в качестве источника чистого бора, группа исследователей впервые [28] Слои CVD-борофена имеют среднюю толщину 4,2 Å, кристаллическую структуру χ3 и металлическую проводимость. [28]
Характеристика на атомном уровне, подтвержденная теоретическими расчетами, выявила структуры, напоминающие сросшиеся кластеры бора, состоящие из смешанных треугольных и гексагональных мотивов, как ранее было предсказано теорией и показано на рисунке 1. Сканирующая туннельная спектроскопия подтвердила, что борофены являются металлическими. В этом отличие от объемных аллотропов бора , которые являются полупроводниковыми и имеют атомную структуру, основанную на B 12 . икосаэдрах [ нужна ссылка ]
В 2021 году исследователи объявили о гидрогенизированном борофене на серебряной подложке, получившем название борофан. Утверждалось, что новый материал гораздо более стабилен, чем его компонент. [29] Гидрирование снижает скорость окисления более чем на два порядка после воздействия окружающей среды. [30]
Многослойный борофен
[ редактировать ]Экспериментальные доказательства, подтверждающие образование сложенных друг на друга двухслойных и трехслойных листов борофена, были впервые обнаружены в слоях борофена, выращенных методом CVD. [28] Вскоре после этого в августе 2021 года было объявлено о создании двухслойного борофена. [31]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Бустани, Ихсан (январь 1997 г.). «Новые квазиплоские поверхности голого бора». Поверхностная наука . 370 (2–3): 355–363. Бибкод : 1997SurSc.370..355B . дои : 10.1016/S0039-6028(96)00969-7 .
- ^ Jump up to: а б с Мэнникс, Эй Джей; Чжоу, X.-Ф.; Кирали, Б.; Вуд, Джей Ди; Алдусин, Д.; Майерс, Б.Д.; Лю, X.; Фишер, БЛ; Сантьяго, США; Гость, младший; и др. (17 декабря 2015 г.). «Синтез борофенов: анизотропные двумерные полиморфы бора» . Наука . 350 (6267): 1513–1516. Бибкод : 2015Sci...350.1513M . дои : 10.1126/science.aad1080 . ПМЦ 4922135 . ПМИД 26680195 .
- ^ Jump up to: а б с Фэн, Баоцзе; Чжун, Цин; Ли, Шуай; Чэн, Пэн; У, Кэхуэй (28 марта 2016 г.). двумерные листы бора». Nature Chemistry . 8 (6): 563–568. arXiv : 1512.05029 . Бибкод : 2016NatCh...8..563F doi : 10.1038 /nchem.2491 . PMID 27219700. . S2CID 19475989 .
- ^ Полинг, Лайнус (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Корнельского университета. ISBN 0-8014-0333-2 .
- ^ Jump up to: а б arXiv, Новые технологии. «Извините, графен, борофен — это новый чудо-материал, который всех взволновал» . Обзор технологий Массачусетского технологического института . Проверено 2 августа 2019 г.
- ^ Кочаев А. (11 октября 2017 г.). «Упругие свойства неуглеродных нанотрубок по сравнению с углеродными нанотрубками». Физический обзор B . 96 (15): 155428. Бибкод : 2017PhRvB..96o5428K . дои : 10.1103/PhysRevB.96.155428 .
- ^ Jump up to: а б Мэнникс, Эй Джей; Чжан, З.; Гизингер, НП; Якобсон, Б.И.; Херсам, MC (6 июня 2018 г.). «Борофен как прототип для разработки синтетических 2D-материалов». Природные нанотехнологии . 13 (6): 444–450. Бибкод : 2018НатНа..13..444М . дои : 10.1038/s41565-018-0157-4 . ОСТИ 1482112 . ПМИД 29875501 . S2CID 205567992 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Чжан, З.; Ян, Ян.; Пенев, Е.С.; Якобсон Б.И. (11 января 2017 г.). «Эластичность, гибкость и идеальная прочность борофенов». Передовые функциональные материалы . 27 (9): 1605059. arXiv : 1609.07533 . дои : 10.1002/adfm.201605059 . S2CID 119199830 .
- ^ Jump up to: а б с д и Чжан, З.; Мэнникс, Эй Джей; Ху, З.; Кирали, Б.; Херсам, MC; Якобсон Б.И. (22 сентября 2016 г.). «Вызванные подложкой наномасштабные колебания борофена на серебре». Нано-буквы . 16 (10): 6622–6627. Бибкод : 2016NanoL..16.6622Z . дои : 10.1021/acs.nanolett.6b03349 . ПМИД 27657852 .
- ^ Бустани, Ихсан (15 июня 1997 г.). «Систематическое ab initio исследование голых кластеров бора: определение геометрии и электронной структуры B n (n = 2–14)». Физический обзор B . 55 (24): 16426–16438. Бибкод : 1997PhRvB..5516426B . дои : 10.1103/PhysRevB.55.16426 .
- ^ Бустани, Ихсан (октябрь 1997 г.). «Новые выпуклые и сферические структуры голых кластеров бора». Журнал химии твердого тела . 133 (1): 182–189. Бибкод : 1997JSSCh.133..182B . дои : 10.1006/jssc.1997.7424 .
- ^ Бустани, я; Квандт, А. (1 сентября 1997 г.). «Нанотрубочки голых кластеров бора: Ab initio и исследование функционала плотности». Письма по еврофизике (EPL) . 39 (5): 527–532. Бибкод : 1997EL.....39..527B . дои : 10.1209/epl/i1997-00388-9 . S2CID 250905974 .
- ^ Гиндулите, Аста; Липскомб, Уильям Н.; Масса, Лу (декабрь 1998 г.). «Предлагаемые борные нанотрубки». Неорганическая химия . 37 (25): 6544–6545. дои : 10.1021/ic980559o . ПМИД 11670779 .
- ^ Квандт, Александр; Бустани, Ихсан (14 октября 2005 г.). «Борные нанотрубки». ХимияФизХим . 6 (10): 2001–2008. дои : 10.1002/cphc.200500205 . ПМИД 16208735 .
- ^ Бустани, Ихсан; Квандт, Александр; Эрнандес, Эдуардо; Рубио, Анхель (8 февраля 1999 г.). «Новые наноструктурированные материалы на основе бора» . Журнал химической физики . 110 (6): 3176–3185. Бибкод : 1999JChPh.110.3176B . дои : 10.1063/1.477976 .
- ^ Кунстманн, Йенс; Квандт, Александр (12 июля 2006 г.). «Широкие листы бора и борные нанотрубки: ab initio исследование структурных, электронных и механических свойств». Физический обзор B . 74 (3): 035413. arXiv : cond-mat/0509455 . Бибкод : 2006PhRvB..74c5413K . дои : 10.1103/PhysRevB.74.035413 . S2CID 73631941 .
- ^ Гонсалес Швацки, Невилл; Садрзаде, Арта; Якобсон Борис Иванович (20 апреля 2007 г.). «Фуллерен B80: предсказание ab initio геометрии, стабильности и электронной структуры». Письма о физических отзывах . 98 (16): 166804. Бибкод : 2007PhRvL..98p6804G . doi : 10.1103/PhysRevLett.98.166804 . ПМИД 17501448 .
- ^ Тан, Хуэй и Исмаил-Бейги, Сохраб (2007). «Новые предшественники борных нанотрубок: конкуренция двухцентровых и трехцентровых связей в борных листах». Письма о физических отзывах . 99 (11): 115501. arXiv : 0710.0593 . Бибкод : 2007PhRvL..99k5501T . doi : 10.1103/PhysRevLett.99.115501 . ПМИД 17930448 . S2CID 30421181 .
- ^ Jump up to: а б Оздоган, К.; Мухопадхьяй, С.; Хаями, В.; Гювенч, ЗБ; Панди, Р.; Бустани, И. (18 марта 2010 г.). «Необычайно стабильный фуллерен B100, структурные переходы в наноструктурах бора и сравнительное исследование α- и γ-бора и листов». Журнал физической химии C. 114 (10): 4362–4375. дои : 10.1021/jp911641u .
- ^ Чжай, Хуа-Цзинь; Киран, Боггаварапу; Ли, Цзюнь; Ван, Лай-Шэн (9 ноября 2003 г.). «Углеводородные аналоги кластеров бора — планарность, ароматичность и антиароматичность». Природные материалы . 2 (12): 827–833. Бибкод : 2003NatMa...2..827Z . дои : 10.1038/nmat1012 . PMID 14608377 . S2CID 23746395 .
- ^ Пьяцца, ЗАО; Ху, ХС; Ли, ВЛ; Чжао, Ю.Ф.; Ли, Дж.; Ван, Л.С. (2014). «Плоский шестиугольник Б 36 как потенциальная основа вытянутых одноатомных слоев бора» . Природные коммуникации . 5 : 3113. Бибкод : 2014NatCo...5.3113P . дои : 10.1038/ncomms4113 . ПМИД 24445427 .
- ^ Чжан, LZ; Ян, QB; Ду, SX; Су, Г.; Гао, Х.-Дж. (15 августа 2012 г.). «Лист бора, адсорбированный на металлических поверхностях: структура и электронные свойства». Журнал физической химии C. 116 (34): 18202–18206. дои : 10.1021/jp303616d .
- ^ Лю, Юаньюэ; Пенев Евгений С.; Якобсон Борис И. (11 марта 2013 г.). «Исследование синтеза двумерного бора с помощью вычислений из первых принципов». Angewandte Chemie, международное издание . 52 (11): 3156–3159. arXiv : 1312.0656 . дои : 10.1002/anie.201207972 . ПМИД 23355180 . S2CID 44779429 .
- ^ Лю, Хуншэн; Гао, Цзюньфэн; Чжао, Цзицзюнь (18 ноября 2013 г.). «От кластера бора к двумерному листу бора на поверхности Cu (111): механизм роста и образование дырок» . Научные отчеты . 3 (1): 3238. Бибкод : 2013NatSR...3E3238L . дои : 10.1038/srep03238 . ПМЦ 3831238 . ПМИД 24241341 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, З.; Ян, Ю.; Гао, Г.; Якобсон Б.И. (2 сентября 2015 г.). «Двумерные монослои бора, взаимодействующие с металлическими подложками» . Angewandte Chemie, международное издание . 54 (44): 13022–13026. дои : 10.1002/anie.201505425 . ПМИД 26331848 .
- ^ 20 июля 2012 г.). «Двумерные монослойные листы бора» . Ву, Сяоцзюнь; Чжао, Ю ; Чжу , Цзиньлун; Цзэн, Сяо Ченг ( 7453. дои : 10.1021/ . PMID 22816319 nn302696v
- ^ Чжан, З.; Пенев, Е.С.; Якобсон Б.И. (31 октября 2017 г.). «Двумерный бор: структура, свойства и применение». Обзоры химического общества . 46 (22): 6746–6763. дои : 10.1039/c7cs00261k . ПМИД 29085946 .
- ^ Jump up to: а б с Мазахери, Али; Джавади, Мохаммед; Абди, Ясер (24 февраля 2021 г.). «Химическое осаждение из паровой фазы двумерных листов бора термическим разложением диборана» . Прикладные материалы и интерфейсы ACS . 13 (7): 8844–8850. дои : 10.1021/acsami.0c22580 . ISSN 1944-8244 . ПМИД 33565849 . S2CID 231862792 .
- ^ Лаварс, Ник (6 апреля 2021 г.). «2D «борофан» предлагает новый строительный блок для современной электроники» . Новый Атлас . Архивировано из оригинала 6 апреля 2021 года . Проверено 9 апреля 2021 г.
- ^ Ли, Цючэн; Коллуру, Венката Сурья Чайтанья; Ран, Мэтью С.; Швенкер, Эрик; Ли, Шаовэй; Хенниг, Ричард Г.; Дарансе, Пьер; Чан, Мария Кюй; Херсам, Марк К. (12 марта 2021 г.). «Синтез полиморфов борофана путем гидрирования борофена» . Наука . 371 (6534): 1143–1148. Бибкод : 2021Sci...371.1143L . дои : 10.1126/science.abg1874 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 33707261 . S2CID 232199843 .
- ^ Лю, Сяолун; Ли, Цючэн; Жуань, Циюань; Ран, Мэтью С.; Якобсон Борис Иванович; Херсам, Марк К. «Синтез борофена за пределами одноатомного слоя». Природные материалы (26 августа 2021 г.). https://doi.org/10.1038/s41563-021-01084-2
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с борофеном, на Викискладе?
