Zwakke bindingen zijn een kracht bij het maken van borofeen

Borofeen kan materiaalwetenschappers prikkelen en hun ambities gaan waarmaken, als een nieuwe aanpak door Rice University-onderzoekers in de praktijk kan worden omgezet.

Materiaaltheoreticus Boris Yakobson van Rice’s George R. Brown School of Engineering en zijn groep stellen een methode voor om borofeen, de 2D-versie van boor, te synthetiseren op een manier die het gemakkelijker zou maken om vrij te maken of te manipuleren.

Volgens het artikel van de groep in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano, dat zou inhouden dat het exotische materiaal wordt gekweekt op hexagonaal boornitride (hBN), een isolator, in plaats van de meer traditionele metalen oppervlakken die typisch worden gebruikt in moleculaire bundelepitaxie (MBE).

De zwakkere van der Waals-krachten tussen het groeiende borofeen en het relatief chemisch inerte hBN zouden het gemakkelijker maken om het materiaal van het substraat te verwijderen voor gebruik in toepassingen. Het zou ook een eenvoudigere directe evaluatie van borofeen mogelijk maken (zonder het van het substraat te tillen) vanwege zijn plasmonische en fotonische – dat wil zeggen, lichtbehandeling – eigenschappen omdat er geen metalen substraat zou zijn dat interfereert. Dat zou ook helpen bij het experimenteren met de elektronische eigenschappen ervan, wat interessant zou kunnen zijn voor degenen die supergeleiding bestuderen.

Het Yakobson-team, inclusief hoofdauteur en afgestudeerde student Qiyuan Ruan en co-auteurs Luqing Wang, een Rice-alumnus, en onderzoekswetenschapper Ksenia Bets, berekende de energieën op atoomniveau van borofeen en hBN. Ze ontdekten dat het step-and-plateau hBN-substraat booratomen die in de MBE-kamer zweefden, aanmoedigde om uit te steken, kiemvormende groei.

Omdat hBN, net als grafeen, een zeshoekig rooster heeft dat lijkt op kippengaas, maakte de atomaire opstelling ook randepitaxiale groei van het nieuwe kristal op het oppervlak mogelijk. Bij epitaxie wordt de groei van het nieuwe materiaal tot op zekere hoogte bepaald door het onderstaande rooster. In dit geval vindt die groei plaats aan de verhoogde kant van het plateau.

In het bijzonder toonden de precieze ab initio-berekeningen aan dat booratomen een “hoge affiniteit” hebben voor de hBN-stappen en hun zigzagranden, waarbij ze de barrière voor nucleatie omzeilen die door andere locaties op het substraat wordt gepresenteerd. Hierdoor kan de groei van het kristal op een stevige basis beginnen.

“Stappen op een oppervlak zijn eendimensionale entiteiten en de affiniteit van boor met stappen maakt 1D-kiemvorming mogelijk, waarvan bekend is dat het geen thermodynamische barrière bezit,” zei Bets. “Dit is een ijsbreker, omdat nucleatie bijna barrièreloos plaatsvindt en zich vervolgens uitbreidt tot het gewenste 2D-borofeen.”

Ruan merkte op dat nadat hij het idee vanuit een fysisch-chemisch standpunt had onderzocht, het moeilijkste begon. “Het meest arbeidsintensieve deel was om alle kwantitatieve waarden en argumenten met de hoogste precisie te presenteren,” zei hij. “Voor onze grote constructies betekent dat het gebruik van vrij dure en tijdrovende rekenmethoden.”

Het groeimechanisme suggereerde dat de onderzoekers ook naar populair grafeen als substraat zouden kijken. Hun berekeningen toonden aan dat de inherente roosterenergie van grafeen booratomen of dimeren op het oppervlak zou opsluiten en zou voorkomen dat ze borofeen zouden vormen.

Yakobson heeft een solide geschiedenis in het voorspellen wat booratomen zouden kunnen doen, en vervolgens kijken hoe laboratoria de uitdaging met succes aangaan. Met de nieuwste theorie hoopt hij op niet minder.

“Het proces ziet er heel logisch uit en lijkt op deze manier overtuigend, en we hopen dat experimentatoren over de hele wereld het zullen proberen, zoals inderdaad is gebeurd met ons eerdere voorstel van synthese op metalen,” zei hij. “We zijn optimistisch, maar houden onze vingers gekruist. Serendipiteit in het lab betekent meestal een gelukkig resultaat, maar ook een verrassing, mogelijk een niet verwacht of gewenst obstakel.”

Yakobson is de Karl F. Hasselmann Professor of Materials Science and Nano Engineering en een professor in de chemie bij Rice.