Двумерная революция: найден материал, который изменит электронику навсегда

Более десяти лет назад команда исследователей из Университета Райса под руководством известного ученого-материаловеда Бориса Якобсона сделала смелое предсказание: атомы бора на медной подложке должны образовать уникальную двумерную структуру — борофен.

Этот гипотетический материал обещал революцию в электронике, энергетике и катализе, будучи гибким металлическим "слоем толщиной в атом". Однако реальность оказалась иной, чем ожидали даже самые опытные ученые. Вместо чистого борофена на меди возникло нечто новое — двумерный борный медно-медный сплав с доселе неизвестной атомной структурой.

Открытие, опубликованное в Science Advances, стало результатом совместных усилий специалистов из Университета Райса и Северо-Западного университета. Выяснилось, что бор ведет себя на меди не так, как, например, углерод в графене: он не просто "лежит" на поверхности, а активно взаимодействует с металлом, создавая сплав. Это опровергло прежние представления о возможности простого синтеза борофена на медных подложках.

"Мы были правы насчёт того, что бор слишком сильно свяжется с медью, но итог оказался совершенно иным", — комментирует Борис Якобсон. По его словам, борофен до сих пор остаётся "материалом на грани существования", и каждое новое открытие в этой области расширяет границы физики, химии и инженерии.

Проблема меди как подложки для борофена многие годы оставалась спорной. Предыдущие эксперименты давали противоречивые результаты: одни учёные получали на поверхности меди "правильный" полиморфный борофен, другие — вовсе не его, а крупные кристаллы боридов или фазово разделённые структуры. Разобраться в хаосе помогла лишь уникальная комбинация методов: визуализация с атомным разрешением, прецизионная спектроскопия и строгое теоретическое моделирование. Лишь соединив "картинку" с экспериментов и компьютерные прогнозы, исследователи распутали загадку.

Вывод оказался неожиданным: вместо плоского листа борофена на меди сформировалась периодическая зигзагообразная суперструктура с электронными свойствами, не похожими ни на одну известную фазу этого материала.

Словно природа решила "усложнить" задачу учёным, подкинув им новый класс соединений — двумерные бориды металлов. И хотя исследователи не получили тот материал, который изначально искали, находка открывает дверь в малоизученную область с огромным прикладным потенциалом. Теперь учёные уверены: двумерный борид меди — лишь первый из целого семейства подобных соединений.

По мнению Марка Херсема из Северо-Западного университета, одного из авторов работы, предстоящие исследования могут затронуть сферы от хранения энергии и катализа до квантовых технологий.

Ещё более интригующим открытие выглядит в контексте недавнего прорыва той же группы теоретиков из Райса: буквально перед этим они показали, что борофен (да, всё-таки настоящий!) способен образовывать идеальные латеральные контакты с графеном — и это соединение работает даже лучше золота. Два результата рядом дают парадоксальную картину: бор то ли слишком сложен для управления, то ли, наоборот, чересчур щедр на сюрпризы.

"Первые экспериментальные снимки выглядели странно, — вспоминает Якобсон. — Но шаг за шагом всё сошлось: сплав бора с медью, новая структура, новые свойства. Сначала — "ура, какая неожиданность!", а через секунду — "логично, так и должно было быть"". Такова диалектика большой науки: гипотезы рушатся, возникают новые вопросы, горизонт знаний отодвигается ещё чуть дальше.

Уточнения

Борофен — двумерный кристалл, состоящий только из атомов бора. Атомная структура борофенов состоит из треугольных и шестиугольных ячеек. Борофены синтезируют на чистых металлических поверхностях в условиях сверхвысокого вакуума.