Borofen

Borofen, borun kristal bir atomik tek tabakasıdır, yani borun iki boyutlu bir allotropudur ve bor levhası olarak da bilinir. İlk olarak 1990'ların ortalarında teorik olarak tahmin edilen farklı borofen yapıları 2015'te deneysel olarak doğrulandı.

Atomik incelikte, kristal ve metalik çeşitli borofenler, ultra yüksek vakum koşulları altında temiz metal yüzeyler üzerinde deneysel olarak sentezlendi. Atomik yapısı, Şekil 1'de gösterildiği gibi karışık üçgen ve altıgen motiflerden oluşur. Atomik yapı, bor gibi elektron eksikliği olan elementler için tipik olan, iki ve çok merkezli düzlem içi bağ arasındaki etkileşimin bir sonucudur.

Borofenler düzlem içi esneklik ve ideal güç sergiler. Bazı konfigürasyonlarda grafenden daha güçlü ve esnek olabilir. Bor nanotüpleri ayrıca bilinen diğer karbon ve karbon olmayan nanoyapılardan daha yüksek bir 2B Young modülü ile grafenden daha serttir. Borofenin metalik elektronik yapılara sahip olduğu tahmin edildi ve bor çoğu elementten daha hafif olduğundan, borofenin deneysel olarak gerçekleştirilebilen en hafif 2B metal olması beklenir. Çoğu 2B malzemede olduğu gibi, borofenin anizotropik özelliklere sahip olması bekleniyor. Mekanik özellikler açısından, v1/6 (kesir içi boş altıgen yoğunluğunu belirtir) borofenin teorik olarak 210 N/m'ye kadar bir düzlem içi modülüne sahip olduğu tahmin edilmektedir (Poisson oranı 0.17'ye kadar). Ayrıca, v1/5 ila 1/9 arasında değiştiği için modülün nispeten faza değişmez olduğu tahmin edilmektedir. Bu göze çarpan bir nokta; çünkü borofenler, çok merkezli düzlem içi bağlarının akısal doğasından dolayı kırılma yerine düzlem içi çekme yüklemesi altında yeni yapısal faz geçişine maruz kalıyor. v1/6 borofenin ayrıca 0,39 eV düzlem dışı bükülme sertliğine sahip olduğu tahmin edilmektedir. (rapor edilen herhangi bir 2B malzemeden daha küçük) Bir malzemenin esnekliğini etkili bir şekilde karakterize eden modülün sertliğe oranı (birim alan başına Foppl-von Karman sayısı olarak da bilinir) v1/6 fazı için yaklaşık 570 nm -2' dir. Bu tahmin edilen özellikler kısmen, v1/6 borofenin yüzeyi yeniden yapılandırılmış bir Ag(111) substratı üzerinde sentezlendiği deneysel çalışmalarla desteklenir. Düz Ag(111) substratları için beklendiği gibi düz, düzlemsel borofen tabakaları olarak büyümek yerine, borofen, yüzeyi yeniden yapılandırılmış Ag(111) substratından kaynaklanan çıkıntılı sıraları yakından takip eden dalgalı bir konfigürasyon alır. İdeal esnek elektronikler, gerilme, sıkıştırılma ve hatta çok çeşitli geometrilere bükülme kabiliyeti gerektirir; ancak bugüne kadar bildirilen çoğu 2B malzeme, düzlem içi deformasyona karşı sert oldukları için bu kriterlerin tümünü karşılayamıyor. Dalgalı borofen, esnek elektronikler için umut verici bir malzemedir, çünkü elastomerik alt tabakalara yapıştırılan dalgalı 2B malzemelerin bükülmesi kolay olmalı ve büyük düzlem içi deformasyonları karşılamalıdır. Dalgalı borofenin mekanik özellikleri, ilk prensip hesaplamaları kullanılarak incelendi ve yukarıda bahsedilen mekanik özellikler için benzer değerlere sahip olduğu bulundu. Bu değerleri prototipik 2B malzeme olan grafen ile karşılaştırıldığında, borofenin modülü ve bükülme sertliği daha düşükken, Poisson oranı benzerdir. Özellikle, v1/6 fazı için Foppl-von Karman sayısı, grafenin iki katından fazladır, bu da borofenlerin esnek atomik katmanlar olduğunu gösterir. Bu nedenle borofenler, kompozitler için takviye elemanları ve esnek elektronik ara bağlantılar, elektrotlar ve ekranlar gibi uygulamalara sahip olabilir.

Borofen ayrıca teoride yüksek özgül kapasitesi, elektronik iletkenlik ve iyon taşıma özelliklerinden dolayı piller için bir anot malzemesi olma potansiyeline sahiptir.

Hidrojen kolayca borofene adsorbe olur ve ağırlığının %15'inden fazla hidrojen depolama potansiyeli sunar. Borofen, moleküler hidrojenin hidrojen iyonlarına parçalanmasını katalize edebilir ve suyu azaltabilir.

I. Boustani ve A. Quandt tarafından yapılan hesaplamalı çalışmalar, küçük bor kümelerinin boranlar gibi ikosahedral geometrileri benimsemediğini, bunun yerine yarı düzlemsel olduklarını gösterdi (bkz. Şekil 2). Bu, borofen (bor levhalar), bor fullerenler (borosfer) ve bor nanotüplerin olasılığını öngören Aufbau ilkesinin keşfine yol açtı.

İlave çalışmalar, uzatılmış, üçgen borofenin (Şekil 1(c)) metalik olduğunu ve düzlemsel olmayan, buruşmuş bir geometri benimsediğini göstermiştir. Kararlı bir B80 bor fullerenin tahmini ile başlayan komputerize hesaplama çalışmaları, petek yapılı ve kısmen doldurulmuş altıgen deliklere sahip uzatılmış borofen levhaların kararlı olduğunu öne sürdü. Bu borofen yapılarının metalik olduğu tahmin edildi. γ levha olarak adlandırılan ( β12 borofen veya υ1/6 levha) Şekil 1(a)'da gösterilmektedir.

Bor kümelerinin düzlemselliği ilk olarak L.-S.Wang'ın araştırma ekibi tarafından deneysel olarak doğrulandı. Daha sonra yapısını gösterdiler (bkz. Şekil 2); bu altı katlı simetriye ve mükemmel bir altıgen boşluğa sahip olan ve uzatılmış iki boyutlu bor levhaları için potansiyel bir temel olarak hizmet edebilen en küçük bor kümesidir.

Silisenin sentezinden sonra, birden fazla grup, borofenin potansiyel olarak bir metal yüzey desteği ile gerçekleştirilebileceğini tahmin etti. Özellikle, borofenin kafes yapısının, metal yüzeye bağlı olduğu ve bağımsız durumda bundan bir kopukluk sergilediği gösterildi.

2015 yılında iki araştırma ekibi, ultra yüksek vakum koşulları altında gümüş (111) yüzeyler üzerinde farklı borofen fazlarını sentezlemeyi başardı. Sentezlenen üç borofen fazı arasında (bkz. Şekil 1), v1/6 levha veya β12, daha önceki bir teori tarafından Ag(111) yüzeyindeki temel durum olarak gösterildi, χ3 borofen ise daha önce 2012 yılında Zeng ekibi tarafından tahmin edilmişti. Malzemelerin üzerinde yaratılan borofenlerin uyumlu bir alt tabakaya aktarılması ayrı bir zorluktur.

Moleküler ışın epitaksisi, yüksek kaliteli borofenin büyümesi için ana yaklaşımdır. Borun yüksek erime noktası ve orta sıcaklıklarda borofenlerin büyümesi, borofenlerin sentezi için önemli bir zorluk teşkil etmiştir. Saf bir bor kaynağı olarak diboran (B2H6) pirolizini kullanan bir grup araştırmacı, ilk kez kimyasal buhar biriktirme (CVD) yoluyla atomik kalınlıkta borofen levhaların büyüdüğünü bildirdi. CVD-borofen katmanları, ortalama 4.2 Å kalınlık, χ3 kristal yapı ve metalik iletkenlik gösterir.

Daha önce teorik olarak tahmin edildiği ve Şekil 1'de gösterildiği gibi, teorik hesaplamalarla desteklenen atomik ölçekli karakterizasyon, karışık üçgen ve altıgen motiflerden oluşan erimiş bor kümelerini anımsatan yapıları ortaya çıkardı. Taramalı tünelleme spektroskopisi, borofenlerin metalik olduğunu doğruladı. Bu, yarı iletken olan ve B12 icosahedra'ya dayalı bir atomik yapı ile işaretlenmiş yığın bor allotroplarının tersidir.

2021'de araştırmacılar, borofan adını verdikleri gümüş bir substrat üzerinde "hidrojene borofen"i duyurdu. Yeni malzemenin, bileşeninden çok daha kararlı olduğu iddia edildi. Hidrojenasyon, ortam maruziyetinden sonra oksidasyon oranlarını ikiden fazla büyüklük sırasına göre azaltır.

İstiflenmiş iki ve üç katmanlı borofen tabakalarının oluşumunu destekleyen deneysel kanıtlar ilk olarak CVD ile büyütülmüş borofen tabakalarında gözlendi. Bundan kısa bir süre sonra, Ağustos 2021'de iki katmanlı borofenin oluşturulduğu duyuruldu.