Еще десять лет назад ученые из Университета Райса под руководством материаловеда Бориса Якобсона предположили: бор на медной подложке не сможет образовать борофен — гибкий двумерный материал с металлическими свойствами, перспективный для электроники, энергетики и катализа. Теперь новые исследования подтвердили их правоту, но с неожиданным поворотом.

В отличие от графена на меди, где атомы просто диффундируют в подложку, бор образовал четкую структуру — двумерный борид меди. Это совершенно новое соединение с уникальной атомной решеткой. Открытие, опубликованное в Science Advances совместно с Северо-Западным университетом, расширяет границы знаний о двумерных материалах.

Борофен все еще остается материалом на грани существования, и любое новое знание о нем — это шаг вперед в физике, материаловедении и электронике, — говорит Якобсон. — Мы предупреждали, что бор слишком сильно свяжется с медью. И вот, спустя десятилетие, оказалось, что мы были правы — но получилось нечто совсем другое.

Ранние эксперименты успешно синтезировали борофен на серебре и золоте, но с медью все было неясно. Одни данные указывали на полиморфные структуры, другие — на фазы боридов или даже объемные кристаллы. Чтобы разобраться, потребовались высокоточные методы: микроскопия, спектроскопия и теоретическое моделирование.

Сначала экспериментаторы увидели странные узоры и спектры, и потребовалось много времени, чтобы их расшифровать, — вспоминает Якобсон.

Оказалось, что бор формирует зигзагообразную сверхрешетку с необычными электронными свойствами — ничего похожего на известные фазы борофена. Совпадение расчетов и экспериментов поставило точку в спорах: на границе меди и вакуума росла не чистая форма бора, а именно борид.

Хотя это не та структура, которую искали, открытие важно для понимания взаимодействия бора с разными металлами. Теперь ученые могут изучать целый класс двумерных боридов — материалов, которые могут пригодиться в сверхпрочной керамике для экстремальных условий или даже в квантовых технологиях.

Двумерный борид меди — лишь первый из многих. Мы только начинаем исследовать это семейство материалов, и у них огромный потенциал: от аккумуляторов до квантовых компьютеров, — говорит Марк Херсем из Северо-Западного университета.

Незадолго до этого та же команда теоретиков из Райса обнаружила еще один любопытный эффект: борофен образует идеальные контакты с графеном, проводимость которых даже лучше, чем у золота. Эти два открытия показывают, насколько бор капризен, но и универсален: он создает неожиданные структуры, но управлять ими сложно.

Сначала данные казались загадочными, но в итоге все сложилось в четкую картину — борид, вот оно! Сначала это удивило, но теперь все ясно, и наука движется дальше, — резюмирует Якобсон.

Польза исследования

• Новые материалы — открыт целый класс 2D-боридов, которые могут быть прочнее, легче и проводящее существующих аналогов.
• Фундаментальное понимание — теперь ясно, как бор ведет себя на разных подложках, что критично для контролируемого синтеза.
• Приложения — от сверхбыстрой электроники до покрытий для гиперзвуковых аппаратов.

Хотя открытие значимо, практическое применение пока под вопросом: синтез боридов требует идеальных условий, а их свойства только предстоит изучить.

Ранее ученые сомневались в возможности существования борофена.