Борофен - Borophene

Рисунок 1: Вероятные кристаллические структуры экспериментально полученных борофенов: (а) β12 борофен (он же γ лист или υ1/6 лист), (б) χ3 борофен (он же υ1/5 простынь)

Борофен это кристаллический атомный монослой бор, т.е. это двумерный аллотроп бора, также известный как борсодержащий лист. Впервые предсказанный теорией в середине 1990-х гг.[1]Различные структуры борофенов были экспериментально подтверждены в 2015 г.[2][3]

Свойства

Экспериментально различные атомно-тонкие, кристаллический и металлический борофены синтезированы на чистых металлических поверхностях в условиях сверхвысокого вакуума.[2][3] Их атомная структура состоит из смешанных треугольных и гексагональных мотивов, как показано на рисунке 1. Атомная структура является следствием взаимодействия между двухцентровым и многоцентровым соединением в плоскости, что типично для электронодефицитный такие элементы, как бор.[4]

Борофены демонстрируют плоскую эластичность и идеальную прочность. Они могут быть прочнее графена и более гибкими в некоторых конфигурациях.[5] Например, борные нанотрубки имеют более высокое значение 2D Модуль для младших чем любые другие известные углеродные и неуглеродные наноструктуры.[6] Борофены претерпевают новый структурный фазовый переход при растягивающей нагрузке в плоскости из-за потоковой природы их многоцентровой связи в плоскости.[7] Борофен имеет потенциал как анод материал для аккумуляторов благодаря высокой теоретической удельной емкости, электронной проводимости и свойствам переноса ионов. Водород легко адсорбируется борофеном, имеет потенциал для хранения водорода - более 15% от его веса. Борофен может катализировать распад молекулярного водорода на ионы водорода и восстанавливать воду.[5]

История

Рисунок 2: A B
36 кластер можно рассматривать как мельчайший борофен; вид спереди и сбоку

Вычислительные исследования И. Бустани и А. Квандта показали, что небольшие кластеры бора не имеют икосаэдрической геометрии, например бораны, вместо этого они оказываются квазипланарными (см. рисунок 2).[1] Это привело к открытию так называемого Принцип Ауфбау[8] что предсказывает возможность появления борофена (листы бора),[1] борные фуллерены (боросфера )[9] и борные нанотрубки.[10][11][12]

Дополнительные исследования показали, что протяженный треугольный борофен (рис. 1 (c)) является металлическим и имеет неплоскую форму изгиба.[13][14] Дальнейшие вычислительные исследования, инициированные предсказанием стабильного B80 бор фуллерен,[15] предположили, что протяженные листы борофена с сотовой структурой и с частично заполненными шестиугольными отверстиями стабильны.[16][17] Предполагалось, что эти борофеновые структуры будут металлическими. Так называемый γ-лист (он же β12 борофен или υ1/6 лист) показан на рисунке 1 (а).[17]

Планарность кластеров бора была впервые экспериментально подтверждена группой исследователей Л.-С. Ван.[18] Позже они показали, что структура B
36 (см. Рисунок 2) - это самый маленький кластер бора, имеющий шестикратную симметрию и идеальную гексагональную вакансию, и что он может служить потенциальной основой для протяженных двумерных листов бора.[19]

После синтеза силицен, несколько групп предсказали, что борофен потенциально может быть реализован с помощью металлической поверхности.[20][21][22] В частности, было показано, что структура решетки борофена зависит от поверхности металла, демонстрируя разрыв с таковой в автономном состоянии.[23]

В 2015 году двум исследовательским группам удалось синтезировать различные фазы борофена на поверхности серебра (111) в условиях сверхвысокого вакуума.[2][3] Среди трех синтезированных фаз борофена (см. Рис. 1) v1/6 лист, или β12, согласно более ранней теории, является основным состоянием на поверхности Ag (111),[23] в то время χ3 Борофен был ранее предсказан командой Цзэна в 2012 году.[24] Пока борофены существуют только на субстратах; как перенести их на совместимую с устройством подложку, необходимо, но остается проблемой.[25]

Определение характеристик в атомном масштабе, подтвержденное теоретическими расчетами, выявило структуры, напоминающие кластеры плавленого бора, состоящие из смешанных треугольных и гексагональных мотивов, как ранее предсказывала теория и показывала на рисунке 1. Сканирующая туннельная спектроскопия подтвердили, что борофены являются металлическими. Это в отличие от объемные аллотропы бора, которые являются полупроводниками и имеют атомную структуру на основе B12 икосаэдры.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Бустани, Ихсан (январь 1997 г.). «Новые квазиплоские поверхности голого бора». Наука о поверхности. 370 (2–3): 355–363. Bibcode:1997СурСк.370..355Б. Дои:10.1016 / S0039-6028 (96) 00969-7.
  2. ^ а б c Mannix, A.J .; Чжоу, X.-F .; Кирали, Б .; Wood, J.D .; Alducin, D .; Myers, B.D .; Лю, X .; Fisher, B.L .; Сантьяго, США; Гость, J. R .; и другие. (17 декабря 2015 г.). «Синтез борофенов: анизотропные, двумерные полиморфы бора». Наука. 350 (6267): 1513–1516. Bibcode:2015Научный ... 350.1513M. Дои:10.1126 / science.aad1080. ЧВК  4922135. PMID  26680195.
  3. ^ а б c Фэн, Баоцзе; Чжан, Цзинь; Чжун, Цин; Ли, Вэньбинь; Ли, Шуай; Ли, Хуэй; Ченг, Пэн; Мэн, Шэн; Чен, Лан; Ву, Кэхуэй (28 марта 2016 г.). «Экспериментальная реализация двумерных листов бора». Химия природы. 8 (6): 563–568. arXiv:1512.05029. Bibcode:2016НатЧ ... 8..563F. Дои:10.1038 / nchem.2491. PMID  27219700.
  4. ^ Полинг, Линус (1960). Природа химической связи (3-е изд.). Издательство Корнельского университета. ISBN  0-8014-0333-2.
  5. ^ а б arXiv, Новые технологии из. «Извини, графен - борофен - новый чудесный материал, который всех взволновал». Обзор технологий MIT. Получено 2 августа, 2019.
  6. ^ Кочаев А. (11 октября 2017 г.). «Упругие свойства неуглеродных нанотрубок по сравнению с углеродными нанотрубками». Физический обзор B. 96 (15): 155428. Дои:10.1103 / PhysRevB.96.155428.
  7. ^ Zhang, Z .; Ян, Ян .; Пенев, Э.С.; Якобсон, Б. (11 января 2017 г.). «Эластичность, гибкость и идеальная прочность борофенов». Современные функциональные материалы. 27 (9): 1605059. arXiv:1609.07533. Дои:10.1002 / adfm.201605059.
  8. ^ Бустани, Ихсан (15 июня 1997 г.). «Систематическое ab initio исследование голых кластеров бора: определение геометрии и электронной структуры Bп (n = 2-14) ". Физический обзор B. 55 (24): 16426–16438. Дои:10.1103 / PhysRevB.55.16426.
  9. ^ Бустани, Ихсан (октябрь 1997 г.). «Новые выпуклые и сферические структуры голых кластеров бора». Журнал химии твердого тела. 133 (1): 182–189. Дои:10.1006 / jssc.1997.7424.
  10. ^ Бустани, I; Квандт, А (1 сентября 1997 г.). «Нанотрубочки голых кластеров бора: Ab initio и исследование функции плотности». Письма Europhysics (EPL). 39 (5): 527–532. Дои:10.1209 / epl / i1997-00388-9.
  11. ^ Гиндулите, Аста; Lipscomb, William N .; Масса, Лу (декабрь 1998 г.). «Предлагаемые борные нанотрубки». Неорганическая химия. 37 (25): 6544–6545. Дои:10.1021 / ic980559o. PMID  11670779.
  12. ^ Квандт, Александр; Бустани, Ихсан (14 октября 2005 г.). «Боронные нанотрубки». ХимФисХим. 6 (10): 2001–2008. Дои:10.1002 / cphc.200500205. PMID  16208735.
  13. ^ Бустани, Ихсан; Квандт, Александр; Эрнандес, Эдуардо; Рубио, Ангел (8 февраля 1999 г.). «Новые наноструктурированные материалы на основе бора». Журнал химической физики. 110 (6): 3176–3185. Дои:10.1063/1.477976.
  14. ^ Кунстманн, Йенс; Квандт, Александр (12 июля 2006 г.). «Широкие листы бора и борные нанотрубки: ab initio исследование структурных, электронных и механических свойств». Физический обзор B. 74 (3): 035413. arXiv:cond-mat / 0509455. Дои:10.1103 / PhysRevB.74.035413.
  15. ^ Гонсалес Швацки, Невилл; Садрзаде, Арта; Якобсон, Борис Иванович (20 апреля 2007 г.). «Фуллерен B80: предварительное предсказание геометрии, стабильности и электронной структуры». Письма с физическими проверками. 98 (16): 166804. Bibcode:2007ПхРвЛ..98п6804Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.98.166804. PMID  17501448.
  16. ^ Тан, Хуэй и Исмаил-Бейги, Сохраб (2007). «Новые прекурсоры для борных нанотрубок: конкуренция двухцентрового и трехцентрового связывания в борных листах». Письма с физическими проверками. 99 (11): 115501. arXiv:0710.0593. Bibcode:2007PhRvL..99k5501T. Дои:10.1103 / PhysRevLett.99.115501. PMID  17930448.
  17. ^ а б Özdoğan, C .; Mukhopadhyay, S .; Hayami, W .; Güvenç, Z. B .; Pandey, R .; Бустани И. (18 марта 2010 г.). «Необычно стабильный фуллерен B100, структурные переходы в наноструктурах бора и сравнительное исследование α- и γ-бора и листов». Журнал физической химии C. 114 (10): 4362–4375. Дои:10.1021 / jp911641u.
  18. ^ Чжай, Хуа-Цзинь; Киран, Боггаварапу; Ли, Цзюнь; Ван, Лай-Шэн (9 ноября 2003 г.). «Углеводородные аналоги кластеров бора - планарность, ароматичность и антиароматичность». Материалы Природы. 2 (12): 827–833. Дои:10.1038 / nmat1012. PMID  14608377.
  19. ^ Piazza, Z. A .; Hu, H. S .; Li, W. L .; Zhao, Y. F .; Li, J .; Ван, Л. С. (2014). «Плоская шестиугольная B36 как потенциальная основа для протяженных одноатомных слоев бора ». Nature Communications. 5: 3113. Bibcode:2014НатКо ... 5.3113P. Дои:10.1038 / ncomms4113. PMID  24445427.
  20. ^ Zhang, L. Z .; Yan, Q. B .; Du, S. X .; Вс, Г .; Гао, Х.-Дж. (15 августа 2012 г.). «Лист бора, адсорбированный на металлических поверхностях: структуры и электронные свойства». Журнал физической химии C. 116 (34): 18202–18206. Дои:10.1021 / jp303616d.
  21. ^ Лю, Юаньюэ; Пенев, Евгений С .; Якобсон, Борис I. (11 марта 2013 г.). "Исследование синтеза двумерного бора расчетами из первых принципов". Angewandte Chemie International Edition. 52 (11): 3156–3159. arXiv:1312.0656. Дои:10.1002 / anie.201207972. PMID  23355180.
  22. ^ Лю, Хуншэн; Гао, Цзюньфэн; Чжао, Цзицзюнь (18 ноября 2013 г.). «От кластера бора к двумерному листу бора на поверхности Cu (111): механизм роста и образование дырок». Научные отчеты. 3 (1): 3238. Дои:10.1038 / srep03238. ЧВК  3831238. PMID  24241341.
  23. ^ а б Zhang, Z .; Ян, Й .; Gao, G .; Якобсон, Б. (2 сентября 2015 г.). «Двумерные монослои бора, опосредованные металлическими подложками». Angewandte Chemie International Edition. 54 (44): 13022–13026. Дои:10.1002 / anie.201505425. PMID  26331848.
  24. ^ У Сяоцзюнь; Дай, Джун; Чжао, Ю; Чжу, Чживэнь; Ян, Цзиньлун; Цзэн, Сяо Чэн (20 июля 2012 г.). «Двумерные однослойные листы бора». САУ Нано. 6 (8): 7443–7453. Дои:10.1021 / nn302696v. PMID  22816319.
  25. ^ Zhang, Z .; Пенев, Э.С.; Якобсон, Б. (31 октября 2017 г.). «Двумерный бор: строение, свойства и применение». Обзоры химического общества. 46 (22): 6746–6763. Дои:10.1039 / c7cs00261k. PMID  29085946.

внешняя ссылка