Фізика
Фізика

Кристал з атомів бору вперше склали вдвоє подібно графену

Синтетичні двомірні матеріали рідко вдається скласти у два шари, адже їх вирощують на підкладках, а при з'єднанні вони прагнуть повернути собі тривимірну структуру. Досі добре піддавався таким складанням лише графен. Втім, американським фізикам вперше вдалося скласти вдвоє борофен — кристал з атомів бору. Вирощені на підкладці срібла шари зв'язалися вандерваальсовими силами та утворили муарові структури, що підтвердила скануюча тунельна мікроскопія. Про створення нової модифікації бору вчені повідомили у Nature Materials.

Northwestern University

Northwestern University

Що склали фізики?

Якщо мова йде про експерименти з кристалічними решітками, то останнім часом головну роль грає графен — одна із модифікацій вуглецю товщиною в один атом. Він надзвичайно зручний, адже має високу рухливість носіїв заряду та дає змогу перевіряти безліч екзотичних ефектів як-то надпровідність чи гідрофобність. Втім, він не один такий і подібні електронні властивості має ще один елемент — бор. Це один із найлегших і найкраще хімічно поєднуваних елементів періодичної таблиці. Він так само як і вуглець має чотири валентних електрони, а отже містить сильно спрямовані зв'язки і забезпечує високу щільність структури, бо саме його атоми можуть заповнити простір щільніше всього. У таблиці Менделєєва бор займає своєрідне перехресне положення: у першому ряду він оточений металами зліва та неметалами справа. Але це єдиний неметал третього стовпця, тож він єдиний має таку складну і не схожу на інші елементи кристалічну структуру. Насправді бор досить довго тривожив вчених, які не могли отримати його у чистому вигляді, а серед 16 видів його алотропних модифікацій можуть точно сказати про структуру лише чотирьох. Його структура, а точніше її складність, полягає у надзвичайно великій кількості атомів (іноді більше 300) на кожну комірку решітки, а сам бор навіть у невпорядкованому стані утворює складні структури з ікосаедрів (а це 20 граней!).

Не менш багатим структурним різноманіттям володіють і двомірні кристали з атомів бору — борофен. Вони характеризуються трикутною решіткою з періодично розташованими пустими шестикутниками з певною кількістю вакансій — дефектів, за якого у вузлах решітки зникає атом. По суті борофен нічим не відрізняється від графену, однак отримати його набагато складніше. Якщо графен виділяють безпосередньо з графіту, розшаровуючи його, то борофен необхідно вирощувати окремо. Найчастіше для цього використовують підкладки з міді, золота, іридію або срібла. Двомірні шари бору інертні до окислення, мають високу механічну міцність та при цьому надзвичайну гнучкість. Тож у результаті ми отримуємо не гіршу за графен платформу, що може здійснити революцію в акумуляторах, електроніці, датчиках, сонячних елементах і квантових обчисленнях.

Будівельний блок кристалічної решітки бору — ікосаедр (а), а також схеми поліморфів бору. Xiaolong Liu et al. / Nature Materials, 2021

Будівельний блок кристалічної решітки бору — ікосаедр (а), а також схеми поліморфів бору. Xiaolong Liu et al. / Nature Materials, 2021

Навіщо бор складати вдвоє?

Щоб відповісти на це питання нам знову варто нагадати про графен і його магічний кут. Графен складають у багатошарові «сендвічі» не просто так: метою є накласти шари один на одного таким чином, щоб вони утворили гексагональні муарові візерунки — двомірні структури, де через різну орієнтованість шарів кристалічна гратка набуває додаткового періоду, що в кілька разів перевищує період атомарної комірки одного шару матеріалу. Різної орієнтації досягають повертанням шарів між собою на певний кут — він і є магічним. Наприклад, щоб графеновий сендвіч з двох шарів перетворився на надпровідник, їх потрібно повернути на 1,1 градуса. Тришаровий же сендвіч вимагає повороту на 1,56 градуса. У такому до речі вдалося налаштовувати надпровідність, застосовуючи зовнішню напругу на затворі, що фізики розглядають як можливість досягти надпровідності за кімнатної температури і без величезного тиску. Тож складений таким чином двомірний матеріал зберігає всі бажані електронні властивості, але пропонує і нові якості.

Через міжшарове зв'язування за допомогою вандерваальсових сил складений таким чином борофен теоретично буде більш стабільним навіть за номінальний основний стан одношарового. Двошаровий сендвіч з бору теоретично обіцяє вченим незвичайні властивості, такі як антиферомагнетизм, подвійні точки Дірака та надвисокі критичні точки деформації. Втім, досі борофен скласти принаймні вдвоє фізикам не вдавалося. Як ми вже згадали, борофен не відшаровують від об'ємного бору, як це роблять із графеном, який отримують з графіту. Зростання двомірного бору потребує вирощування на окремих плівках, які при складанні намагаються повернути собі тривимірну структуру, замість того, щоб лишатися накладеними один на одного плоскими структурами.

Структура складеного вдвоє борофену. Атоми бору, що утворюють міжшарові зв’язки (забарвлені в червоний колір), зміщуються до центру сендвіча (а), а також ілюстрація утвореної решітки сендвіча на плівці з срібла (б). Xiaolong Liu et al. / Nature Materials, 2021

Структура складеного вдвоє борофену. Атоми бору, що утворюють міжшарові зв’язки (забарвлені в червоний колір), зміщуються до центру сендвіча (а), а також ілюстрація утвореної решітки сендвіча на плівці з срібла (б). Xiaolong Liu et al. / Nature Materials, 2021

Як скласти бор у два шари?

Кристали борофену вирощували за допомогою електронно-променевого випаровування стержня з чистого бору на монокристалічні підкладки зі срібла за температури у 350-250 градусів Цельсію. Затим бор ще пів години відпалювали за температури у 650 градусів, що вище, ніж необхідно для вирощування одного шару борофена, але гарантує формування терас, тобто плоских ділянок кристала шириною більше одного мікрометра. Так збільшується площа для зародження борофена і він утворюється не по краях, що заважає складанню вдвоє, а зближається до центру, де вже можна накласти другий шар. Тобто більша площа сприяє випадковому зародженню одношарового борофену. Другий же шар зароджується і виникає на перетині кількох доменів першого шару. Такі острівки з симетричною шестигранною муаровою надрешіткою і є борофеновим сендвічем. Часу на все це знадобилося близько 30-45 хвилин. Загалом, поліморф складеного вдвоє борофена складається з двох ідентичних шарів і характеризується двома параметрами: щільністю порожніх шестикутників та щільності міжшарового зв'язку, що характеризується кількістю утворюючих зв'язок атомів. Зображення структури, отримані за допомогою скануючої тунельної мікроскопії (STM) і безконтактної атомно-силової мікроскопії (nc-AFM), вказують на два пов'язаних ковалентно шари альфа-фази. Так ця робота стала першим експериментальним доказом можливості створювати борофенові сендвічі подібно до графену і використовувати його як нову платформу для фундаментальних і прикладних досліджень.