Wetenschappers identificeren nieuw 2D koperen boridemateriaal met unieke atoomstructuur

Meer dan tien jaar geleden voorspelden onderzoekers van Rice University onder leiding van materiaalwetenschapper Boris Yakobson dat booratomen dat zouden doen zich te strak vastklampen naar koper om borofeen te vormen, een flexibel, metaalachtig tweedimensionaal materiaal met potentieel over elektronica, energie en katalyse. Nu, Nieuw onderzoek laat zien dat voorspelling standhoudt, maar niet op de manier waarop iemand had verwacht.

In tegenstelling tot systemen zoals grafeen op koper, waarbij atomen in het substraat kunnen diffunderen zonder een afzonderlijke legering te vormen, vormden de booratomen in dit geval een gedefinieerd 2D -koperen boride ⎯ Een nieuwe verbinding met een afzonderlijke atoomstructuur. De bevinding, gepubliceerd in De wetenschap vordert Door onderzoekers van Rice and Northwestern University, vormt het toneel voor verdere verkenning van een relatief onaangeboorde klasse van 2D -materialen.

“Borofeen is nog steeds een materiaal aan de rand van het bestaan, en dat maakt elk nieuw feit erover belangrijk door de envelop van onze kennis in materialen, natuurkunde en elektronica te verleggen”, zei Yakobson, Rice’s Karl F. Hasselmann hoogleraar engineering en hoogleraar materiaalwetenschappen en nano -engineering en chemie. “Onze allereerste theoretische analyse waarschuwde dat Boron op koper te sterk zou binden. Nu, meer dan een decennium later, blijkt dat we gelijk hadden ⎯ ⎯ en het resultaat is niet borofeen, maar iets anders.”

Eerdere studies synthetiseerden met succes borofeen op metalen zoals zilver en goud, maar koper bleef een open – en betwiste – case. Sommige experimenten suggereerden dat boor polymorfe borofeen op koper zou kunnen vormen, terwijl anderen suggereerden dat het fase-gescheiden kon in boriden of zelfs nucleate in bulkkristallen. Het oplossen van deze mogelijkheden vereiste een uniek gedetailleerd onderzoek dat beeldvorming met hoge resolutie, spectroscopie en theoretische modellering combineerde.

“Wat mijn experimentele collega’s voor het eerst zagen, waren deze rijke patronen van afbeeldingen van atomaire resolutiebeelden en spectroscopische handtekeningen, waarvoor veel hard werk van interpretatie vereiste,” zei Yakobson.

Deze inspanningen onthulden een periodieke zigzag -bovenbouw en verschillende elektronische handtekeningen, die beide aanzienlijk afwijken van bekende borofeenfasen. Een sterke match tussen experimentele gegevens en theoretische simulaties hielp bij het oplossen van een debat over de aard van het materiaal dat zich vormt op het grensvlak tussen het kopersubstraat en de bijna-vacuümomgeving van de groeikamer.

Hoewel koperboride niet de materiële onderzoekers waren die wilden maken, biedt de ontdekking ervan een belangrijk inzicht in hoe Boron interageert met verschillende metalen substraten in tweedimensionale omgevingen. Het werk breidt de kennis uit over de vorming van atomisch dunne metalen boridematerialen ⎯ Een gebied dat toekomstige studies van gerelateerde verbindingen zou kunnen informeren, inclusief die met bekende technologische relevantie, zoals metaalboriden onder ultrahoge temperatuur keramiek, die van groot belang zijn voor extreme omgevingen en hypersonische systemen.

“2D Copper Boride is waarschijnlijk slechts een van de vele 2D-metalen boriden die experimenteel kunnen worden gerealiseerd. We kijken ernaar uit om deze nieuwe familie van 2D-materialen te verkennen die breed potentieel gebruik hebben in toepassingen, variërend van elektrochemische energieopslag tot kwantuminformatietechnologie,” zei Mark Hersam, Walter P. Murphy-professor van de materiaalwetenschappen en engineering bij de noordwesterse universiteit en engineering bij de noordwesterse universiteit en engineering bij de noordwesterse universiteit en engineering bij de noordwesterse universiteit en engineering bij de noordwesterse universiteit en engineering bij de noordelijke universiteit en engineering van de noordelijke universiteit en engineering van de noordelijke universiteit en engineering van de noordelijke universiteit, die een co-corte auteur van de studie is.

De ontdekking komt kort na een andere boorgerelateerde doorbraak door hetzelfde rijsttheorie-team. In een afzonderlijke studie gepubliceerd in ACS nano onderzoekers hebben aangetoond dat borofeen hoogwaardige laterale, rand-naar-geavanceerde knooppunten kan vormen met grafeen en andere 2D-materialen, die beter elektrisch contact bieden dan zelfs “omvangrijk” goud. De juxtapositie van de twee bevindingen benadrukt zowel de belofte als de uitdaging om met Boron op atomaire schaal te werken: de veelzijdigheid zorgt voor verrassende structuren, maar maakt het ook moeilijk om te controleren.

“Die beelden die we in eerste instantie in de experimentele gegevens zagen, zagen er behoorlijk mysterieus uit,” zei Yakobson. “Maar uiteindelijk viel het allemaal op zijn plaats en gaf het een logisch antwoord ⎯ Metal Boride, Bingo! Dit was in het begin onverwacht, maar nu is het geregeld – en de wetenschap kan vooruit gaan.”