Группа ученых из США, России и Китая сумела получить новый двумерный материал, состоящий из одного слоя атомов, соединенных в кристаллическую решетку. На этот раз двумерный кристалл построен из атомов бора, поэтому он получил название борофен. Об итогах работы сообщается в статье, опубликованной журналом Science, кратко о ней рассказывает пресс-релиз Московского физико-технологического института.
Первым двумерным кристаллом, который удалось получить в лаборатории, стал графен, состоящий из атомов углерода. Его создали в 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов, спустя шесть лет за эту работу ученые получили Нобелевскую премию по физике. С тех пор был получен ряд других двумерных кристаллов из атомов кремния (силицен), фосфора (фосфорен), германия (германен), олова (станен), а также материалы на основе соединений ряда металлов, чаще всего сульфидов, селенидов и теллуридов.
Графен чаще всего получают, отщепляя от кристалла графита все более тонкие пленки. Слоистая структура кристалла способствует этому. С бором, хотя он и находится рядом с углеродом в таблице Менделеева, такой метод не работает, так как кристаллическая решетка бора не имеет слоистой структуры. В 2014 году ученые из университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент двумерной модификации бора. Но группа под руководством Артема Оганова, заведующего лабораторией компьютерного дизайна материалов Московского физико-технического института с помощью методов компьютерного моделирования определила, что подобная структура не может быть плоской и стабильной. При этом ученые предложили альтернативный вариант строения листа борофена, когда кристаллический лист оказывался не плоским, а «гофрированным».
Однако надо было преодолеть еще одну трудность для получения борофена. Бор образует соединения почти со всеми химическими элементами, поэтому сложно подобрать материал для подложки, на которой будет выращиваться кристалл. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) применили подложку из слабо реагирующего с бором серебра. Атомы бора напылялись с помощью техники электронно-лучевого испарения. Получившийся материал исследовался с помощью электронной и сканирующей туннельной микроскопии. Сравнение экспериментальных результатов с теоретическим предсказанием структуры борофена, проведенным сотрудником Оганова, профессором Сянфеном Чжоу (Xiang-Feng Zhou), подтвердило, что был получен именно этот материал.
Гофрированный кристаллический лист изгибается вверх и вниз в зависимости от связей между атомами бора. Такая структура делает борофен анизотропным, то есть механические и электронные свойства этого материала зависят от выбранного направления. Подобно графену борофен проводит электрический ток. Согласно теоретическим предсказаниям, борофен обладает наибольшей прочностью на разрыв по сравнению с любым другим известным материалом. «По всей видимости мы нашли лидера по прочности среди двумерных материалов», – говорит ведущий автор статьи Натан Гайзингер (Nathan Guisinger) из Аргоннской национальной лаборатории. Свойства борофена делают его ценным материалом для создания наноэлектронных устройств.
