Существует ли графен на основе бора?
 Предполагаемая структура "борофена" из отдельных шестиугольных кластеров с отсутствующим атомом. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной всего в один атом, который вызывает особый интерес ученых, благодаря своим электронным и механическим свойствам. Впервые графен был получен еще в 2004 году, и с этого момента ученые стараются получить подобные двумерные материалы на основе других химических элементов. Один из химических элементов, представляющих интерес с этой точки зрения – это бор, единственный не металл в третьей группе периодической таблицы Менделеева. Связь между двумя атомами бора не является истинно ионной, ковалентной или металлической; она сильная, но значительно делокализована.
Расчеты показывают, что, подобно углероду, бор гипотетически может сформировать гигантские плоские структуры или фуллерены (структуры, такие как фуллерены или нанотрубки, которые состоят из поверхностей в один атом толщиной). Не так давно нанотрубки из бора действительно были обнаружены, хотя их точная структура пока остается неопределенной.
В 2007 году группа ученых из Yale University предсказала существование стабильной плоской структуры из атомов бора, состоящей из шестиугольных кластеров с отверстиями, которые они назвали альфа-листами. Продолжая эту работу, коллеги исследователей из Brown University (США) и Tsinghua University (Китай) попытались создать графеноподобную структуру на основе бора при помощи испарения атомов с поверхности объемного бора посредством лазера. Полученный пар быстро замораживался струей газообразного гелия, что вызывало образование кластеров атомов. Для разделения кластеров и определения их массы использовалась масс-спектрометрия. Кроме того, с помощью фотоэлектронной спектроскопии ученые анализировали полученные структуры, измеряя, какая энергия требуется для высвобождения из них свободного электрона.
Свое внимание команда сосредоточила на структурах, содержащих 36 атомов бора. Измерения показали, что электроны в подобных структурах сильно связаны, что свидетельствует о высокой стабильности кластеров. Для более детального исследования структур ученые обратились к вычислительной химии. Расчеты показали, что наиболее стабильным изомером должна быть гексагональная структура с одним отсутствующим в центре атомом. Предсказанный расчетами фотоэлектронный спектр подобной структуры хорошо согласовывался с данными, полученными в ходе эксперимента, из чего был сделан вывод о том, что кластеры действительно формировались. При этом незначительные отклонения между теоретическим и наблюдаемым спектром исследователи списывают на присутствие других изомеров в изучаемых образцах.
Хотя полученные структуры и не являются идеально ровными, потенциально они могут соединяться с аналогичными конструкциями, чтобы образовать предсказанный ранее альфа-лист. Ученые назвали подобные листы борофеном. Они считают, что характер связей между атомами бора позволяет предположить, что борофен будет иметь металлические свойства, что сделает его еще лучшим проводником, чем графен. Правда, использованная модель не может предсказать, будет ли он обладать другими отличительными свойствами графена (к примеру, высокой подвижностью свободных зарядов).
Интересно, что коллеги ученых из Stonybrook University (США) не согласны с выводами первой группы относительно альфа-листов. Основываясь на разработанном ими методе структурного прогнозирования, команда считает, что борофен не может существовать в природе. По мнению исследователей, наиболее стабильной будет двухслойная структура. Если прогнозы подтвердятся, этот материал будет первым плоским «полуметаллом Дирака», в котором электронная проводимость в плоскости зависит от направления.
Кто из ученых прав, покажут дальнейшие исследования.
Также по теме:
- Ученые создали из двумерного аналога графена инновационный электрод
- Ученые изучили поведение электронов в цепных молекулах
- Графеновая пленка может служить основой для диэлектрической прослойки
- Предложен способ «плотной упаковки» листов графена
- Неспаренный спин придает графену магнитные свойства
Источники: