Una ilustración muestra cómo se conectan los bordes en las esquinas de un copo de borofeno. Los científicos de materiales dirigidos por la Universidad de Rice han predicho que la forma del borofeno, el alótropo 2D del boro, puede ser controlado. Crédito:Zhuhua Zhang / Universidad Rice / Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing
Borophene tiene un socio casi perfecto en una forma de plata que podría ayudar a que el moderno material bidimensional crezca a longitudes inauditas.
Una red bien ordenada de átomos de plata permite acelerar el crecimiento del borofeno prístino, el alótropo de boro de un átomo de espesor que hasta ahora solo puede formarse mediante síntesis por epitaxia de haz molecular (MBE).
Mediante el uso de un sustrato de plata y mediante una cuidadosa manipulación de la temperatura y la velocidad de deposición, Los científicos han descubierto que pueden producir copos de borofeno alargados en forma de hexágono. Sugirieron que el uso de un sustrato de metal adecuado podría facilitar el crecimiento de ultrafinos, cintas estrechas de borofeno.
Nuevo trabajo publicado en Avances de la ciencia por investigadores de las universidades Rice y Northwestern, La Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing y el Laboratorio Nacional Argonne ayudarán a agilizar la fabricación del material conductor, que muestra potencial para su uso en dispositivos electrónicos portátiles y transparentes, Sensores plasmónicos y almacenamiento de energía.
Ese potencial ha impulsado los esfuerzos para facilitar el crecimiento, dirigido por el científico de materiales de Rice Boris Yakobson, un teórico que predijo que el borofeno podría sintetizarse. Él y sus colaboradores Mark Hersam en Northwestern y el autor principal Zhuhua Zhang, un alumno de Rice y ahora profesor en Nanjing, ahora han demostrado a través de la teoría y la experimentación que a gran escala, Las muestras de borofeno de alta calidad no solo son posibles, sino que también permiten una comprensión cualitativa de sus patrones de crecimiento.
A diferencia de las redes atómicas repetidas que se encuentran en el grafeno y el nitruro de boro hexagonal, borofeno incorpora un regular, variedad de "vacantes, "átomos faltantes que dejan agujeros hexagonales entre los triángulos. Esto no solo afecta las propiedades electrónicas del material, sino que también influye en la forma en que los nuevos átomos se unen a la laminilla a medida que se forma.
Los cálculos del laboratorio de Yakobson mostraron que las energías de los bordes (átomos que son menos estables a lo largo de los bordes de los materiales 2-D que los del interior) son significativamente más bajas que las del grafeno y el nitruro de boro y que las condiciones pueden manipularse para ajustar los bordes para crecimiento óptimo de cintas.
Los cálculos iniciales mostraron que el borofeno en equilibrio debería formarse como un rectángulo, pero los experimentos demostraron lo contrario.
Los modelos de científicos de materiales de la Universidad de Rice y sus colegas sugieren un método para controlar el crecimiento del valioso borofeno bidimensional. El modelo predice una variedad de formas posibles de las escamas de boro 2D con diferentes relaciones de aspecto, incluyendo cintas delgadas. Crédito:Zhuhua Zhang / Universidad Rice / Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Nanjing
El factor de confusión estaba en los bordes de las escamas que, forzado por las vacantes, aparecen en variaciones de zigzag y configuraciones de sillón. Los átomos se asientan uno por uno en los "pliegues" que aparecen a lo largo de los bordes, pero como los sillones son energéticamente más estables y presentan una barrera más alta para los átomos, prefieren unirse a los zigzags. En lugar de extender los copos en todas direcciones, los átomos son selectivos sobre dónde se asientan y alargan la estructura.
"En la escala atómica, los bordes no actúan como si cortaras la celosía con un par de tijeras, "Dijo Yakobson." Los lazos colgantes que creas se vuelven a conectar con sus vecinos, y los átomos del borde se adaptan ligeramente diferente, configuraciones reconstruidas.
"Así que el origen de las formas no debe estar en equilibrio, ", dijo." Son causadas por la cinética del crecimiento, qué tan rápido o lento avanzan los bordes laterales. Oportunamente, habíamos desarrollado un marco teórico para el grafeno, un modelo de nanoreactor que funciona con otros materiales 2-D, incluido el boro ".
Controlar el flujo de átomos y la temperatura les brinda a los investigadores una forma más sencilla de controlar la síntesis de borofeno.
"La plata (111) proporciona un aterrizaje para los átomos de boro, que luego se difunden a lo largo de la superficie para encontrar los bordes de una escama de borofeno en crecimiento, "Dijo Zhang." Al llegar, los átomos de boro se elevan a los bordes por la plata, pero la dificultad de tal elevación depende de la orientación del borde. Como resultado, un par de bordes en zigzag opuestos crecen muy lentamente mientras que todos los demás bordes crecen muy rápido, manifestado como un alargamiento de las escamas de boro ".
Los investigadores dijeron que la capacidad de hacer crecer cintas de borofeno en forma de agujas les da el potencial de servir como cables conductores de ancho de átomo para dispositivos nanoelectrónicos.
"La electrónica basada en grafeno que se ha concebido hasta ahora se basa principalmente en bloques de construcción en forma de cinta, "Dijo Yakobson." Las cintas de boro metálico con alta conductividad serán una combinación natural como interconexiones en los circuitos ".
Los coautores del artículo son Xiaolong Liu de Northwestern, Nathan Guisinger del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne, Andrew Mannix de Argonne y Northwestern, y Zhili Hu de Nanjing y Rice. Yakobson es profesor Karl F. Hasselmann de ciencia de materiales y nanoingeniería y profesor de química en Rice. Hersam es Profesor Walter P. Murphy de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Northwestern.
