Ученые из США, Китая России синтезировали двумерный кристалл бора — лист толщиной в один атом, подобный графену по структуре, обладающий высокой прочностью, проводимостью и другими уникальными свойствами, которые могут пригодиться при создании наноэлектронных устройств и фотоэлементов. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Science.

«Ни одна из объемных форма бора не обладает подобными металлическими свойствами, — говорит ведущий автор статьи Натан Гайзингер (Nathan Guisinger) из Аргоннской национальной лаборатории (США). — По всей видимости, мы нашли лидера по прочности на растяжение среди двумерных материалов».

Двумерными материалами называют «плоские кристаллы» толщиной в один или несколько атомов. Хотя они состоят из тех же атомов, что и обычные трехмерные кристаллы, их физические и химические свойства могут кардинально отличаться. Самый знаменитый двумерный материал — графен, состоящий из атомов углерода. За его создание выпускники МФТИ Андрей Гейм и Константин Новоселов в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. В отличие от других углеродных материалов, двумерный графен хорошо проводит электричество, причем электроны в нем должны двигаться со скоростями, близкими к скорости света.

Бор и углерод — соседи в таблице Менделеева, их химические свойства сходны, но метод получения графена, придуманный Геймом и Новоселовым — «отщепление» углеродных листков от поверхности графита — не работает для бора, поскольку структура ни одной из известных аллотропных модификаций бора не содержит явно выраженных слоев.

Интерес к созданию двумерного бора — борофена — подстегнули около года назад работы двух независимых друг от друга научных групп. В первой работе ученые из университета Брауна (США) и Университета Цинхуа (Китай) синтезировали молекулу, напоминающую фрагмент такого вещества. Однако группа под руководством кристаллографа Артема Оганова (профессора Сколковского Института науки и технологий и Университета штата Нью-Йорк, а также заведующего лабораторией Московского физико-технического института) с помощью методов компьютерного моделирования продемонстрировала, что подобная структура не может быть плоской и стабильной, предложив альтернативное строение листа борофена.

По словам Оганова, результаты расчетов заставили сомневаться в том, что синтез этого материала вообще возможен, поскольку атомы бора «предпочитали» собираться в наночастицы, «разгладить» которые по его мнению было бы непросто. Кроме того, бор образует стабильные соединения почти со всеми известными элементами.

Однако ученым из Аргоннской национальной лаборатории и Северо-Западного университета (США) удалось найти элегантное решение: борофен выращивали на подложке из серебра. Эти элементы слабо взаимодействуют друг с другом, благодаря чему и получилось синтезировать новый материал. Атомы бора напылялись с помощью техники электронно-лучевого испарения, это позволило избежать использования высокотоксичных газов. Получившийся материал исследовался с помощью методов 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.

"Иногда экспериментаторы синтезируют материал и просят нас определить его структуру. Порой получается наоборот: мы делаем предсказания первыми и эксперимент подтверждает наши открытия. Теория и эксперимент движутся рука об руку, и от этого сотрудничества выигрывает любое исследование», — комментирует текущую работу Оганов.

Атомы бора расположены в виде гофированной...

Атомы бора расположены в виде гофированной структуры, что обеспечивает необычные свойства материала

Борофен получился не плоским, а, как и предсказывали Чжоу и Оганов, гофрированным. Если другие двумерные материалы выглядят как плоскости, борофен напоминает лист гофрированного картона, изгибающийся 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. Борофен, как и графен, проводит электрический ток, поэтому это первый известный ученым двумерный анизотропный металл.

На этом необычные свойства этого материала не заканчиваются. 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», — заявил Гайзенгер.

Безусловно, борофен нуждается в дальнейшем изучении, но авторы исследования уверены в том, что новый материал обладает большим потенциалом для применения в наноэлектронике.