Ingenieurs creëren voor het eerst een dubbele laag borofeen

Voor het eerst hebben de ingenieurs van de Northwestern University een dubbele laag van atomair vlak borofeen gecreëerd, een prestatie die de natuurlijke neiging van boor om niet-vlakke clusters te vormen voorbij de limiet van één atomaire laag trotseert.

Hoewel bekend om zijn veelbelovende elektronische eigenschappen, is borofeen – een plaat met een laag boor van één atoomlaag – een uitdaging om te synthetiseren. In tegenstelling tot het analoge tweedimensionale materiaal grafeen, dat van aangeboren gelaagde grafiet kan worden afgepeld met zoiets eenvoudigs als plakband, kan borofeen niet alleen worden verwijderd van bulkborium. In plaats daarvan moet borofeen rechtstreeks op een substraat worden gekweekt.

En als het kweken van één laag moeilijk was, leek het onmogelijk om meerdere lagen atomair vlak borofeen te kweken. Omdat bulkboor niet gelaagd is zoals grafiet, leidt het groeien van boor voorbij enkele atomaire lagen tot clustering in plaats van vlakke films.

“Als je een dikkere laag probeert te kweken, wil het boor zijn bulkstructuur aannemen”, zegt Mark C. Hersam van Northwestern, co-senior auteur van het onderzoek. “In plaats van atomair vlak te blijven, vormen dikkere boorfilms deeltjes en clusters. De sleutel was om groeiomstandigheden te vinden die de vorming van clusters verhinderden. Tot nu toe dachten we niet dat je verder dan één laag kon gaan. Nu zijn we verhuisd naar onontgonnen territorium tussen de enkele atoomlaag en de bulk, wat resulteert in een nieuwe speelplaats voor ontdekking.”

Het onderzoek zal op 26 augustus in het tijdschrift worden gepubliceerd Natuurmaterialen.

Hersam is de Walter P. Murphy Professor of Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering en directeur van het Materials Research Science and Engineering Center. Hij is ook lid van het Northwestern’s International Institute for Nanotechnology en het Simpson Querrey Institute. Hersam leidde het werk samen met Boris Yakobson, de Karl F. Hasselmann-leerstoel in Engineering aan de Rice University.

Vijf jaar geleden maakten Hersam en zijn medewerkers voor het eerst borofeen. Borofeen is sterker, lichter en flexibeler dan grafeen en heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in batterijen, elektronica, sensoren, zonnecellen en kwantumcomputers. Hoewel theoretisch onderzoek voorspelde dat een dubbele laag borofeen mogelijk was, waren veel onderzoekers, waaronder Hersam, niet overtuigd.

“Het is een uitdaging om nieuw materiaal te maken, zelfs als theoretisch werk het bestaan ​​ervan voorspelt,” zei Hersam. “Theorie vertelt je zelden de synthetische voorwaarden die nodig zijn om die nieuwe structuur te bereiken.”

De sleutel tot de juiste omstandigheden, ontdekte het team van Hersam, was het substraat dat werd gebruikt voor het kweken van het materiaal. In de studie kweekten Hersam en zijn collega’s borofeen op een plat, zilveren substraat. Bij blootstelling aan zeer hoge temperaturen bundelde het zilver zich tot uitzonderlijk vlakke, grote terrassen tussen trossen traptreden op atomaire schaal.

“Toen we borofeen op deze grote, vlakke terrassen kweekten, zagen we een tweede laag ontstaan,” zei Hersam. “Na die toevallige observatie hebben we onze inspanningen opzettelijk in die richting gericht. We waren niet op zoek naar de tweede laag toen we die vonden. Veel materiaalvondsten gebeuren op deze manier, maar je moet de kans grijpen als je iets onverwachts tegenkomt .”

Het dubbellaagse materiaal behield alle gewenste elektronische eigenschappen van borofeen, terwijl het nieuwe voordelen bood. Het materiaal bestaat bijvoorbeeld uit twee atomaire lagen dikke platen die aan elkaar zijn gehecht met ruimte ertussen, die kunnen worden gebruikt voor energie- of chemische opslag.

“Er zijn theoretische voorspellingen geweest dat dubbellaags borofeen een veelbelovend materiaal is voor batterijen,” zei Hersam. “Het hebben van ruimte tussen de lagen biedt een plaats om lithiumionen vast te houden.”

Het team van Hersam hoopt dat andere onderzoekers nu geïnspireerd zijn om nog dikkere lagen borofeen te laten groeien of dubbele lagen met verschillende atomaire geometrieën te creëren.

“Diamanten, grafiet, grafeen en koolstofnanobuizen zijn allemaal gebaseerd op één element (koolstof) met verschillende geometrieën,” zei Hersam. “Boor lijkt net zo rijk aan mogelijkheden, zo niet meer, dan koolstof. We geloven dat we ons nog in de vroege hoofdstukken van de tweedimensionale boorsaga bevinden.”