Naš kolega Marin Petrović je objavio novi članak u kojem se demonstrira skalabilna metoda sinteze 2D sloja bora debljine samo jednog atoma. Članak je rezultat suradnje s istraživačima sa Sveučilišta Duisburg-Essen i Sveučilišta u Kölnu, te je objavljen u časopisu ACS Nano. Prezentirani rezultati otkrivaju nove mogućnosti za proizvodnju velikih, visokokvalitetnih slojeva nadolazećih 2D materijala.

Segregation-Enhanced Epitaxy of Borophene on Ir(111) by Thermal Decomposition of Borazine

Karim M. Omambac, Marin Petrović, Pantelis Bampoulis, Christian Brand, Marko A. Kriegel, Pascal Dreher, David Janoschka, Ulrich Hagemann, Nils Hartmann, Philipp Valerius, Thomas Michely, Frank J. Meyer zu Heringdorf, and Michael Horn-von Hoegen, ASC Nano (2021).

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c00819

Istraživači su u stalnoj potrazi za novim materijalima koji bi mogli omogućiti nova znanstvena otkrića i tehnološki napredak. Pritom, potrebni su visokokvalitetni materijali čija sinteza mora biti skalabilna na proizvoljno velike dimenzije. Isti izazovi su prisutni u zajednici istraživača 2D materijala, gdje je velike i u isto vrijeme uniformne uzorke često teško proizvesti. To je poglavito slučaj za nove članove obitelji 2D materijala, koji su još uvijek relativno slabo istraženi.
Jedan takav novi 2D materijal je borofen, odnosno 2D sloj borovih atoma. Zbog elektronske strukture atoma bora, borofen je polimorfan i može poprimiti različite kristalne strukture ovisno o podlozi na kojoj je sintetiziran. Ovakvo ponašanje je suprotno od grafena, koji postoji isključivo u obliku heksagonalne mreže. Mnogi polimorfi borofena imaju metalna svojstva, i pokazuju visoku mehaničku čvrstoću i fleksibilnost. Osim što je zanimljiv kao „umjetni 2D materijal“, zbog nedostatka 3D analogona, borofen bi se mogao potencijalno kombinirati s drugim 2D materijalima i formirati zanimljive heterostrukture.

U ovom radu, autori prezentiraju novu metodu sinteze jednoslojnog borofena na Ir(111) podlozi. Metoda se sastoji od (i) izlaganja zagrijane površine Ir monokristala (~1100 °C) parama borazina (B₃H₆N₃) u vakuumu, te (ii) postepenog hlađenja do sobne temperature. Na visokim temperaturama, molekule borazina se fragmentiraju, pri čemu vodik i dušik desorbiraju sa površine podloge. Međutim, atomi bora se otapaju u iridiju na tako visokim temperaturama budući da je topivost B u Ir također visoka. Kako se podloga hladi, topivost B u Ir se smanjuje, i otopljeni atomi bora efektivno bivaju izgurani iz unutrašnjosti Ir kristala na njegovu površinu, gdje se samo-sastavljaju u jednosloj borofena. Proces segregacije bora i integracija u rastući sloj borofena je prikazan na Slici 1, gdje je nisko-energetska elektronska mikroskopija (low-energy electron microscopy, LEEM) omogućila praćenje procesa formiranja borofena u realnom vremenu.

Epitaksijalni borofen koji je formiran na Ir površini pokazuje odličnu strukturnu kvalitetu, kao što je demonstrirano oštrim točkama u nisko-energetskoj elektronskoj difrakciji [low-energy electron diffraction, LEED, Slika 2(a)] i strukturi bez defekata snimljenoj pomoću pretražnog tunelirajućeg mikroskopa [scanning tunneling microscope, STM, Slika 2(b)]. Važno je naglasiti da ova metoda rasta daje sloj borofena debljine samo jednog atoma, te je veličina sintetiziranog borofena ograničena jedino veličinom podloge na kojoj se sinteza vrši. Stoga, ovakva metoda rasta, koja je potpomognuta segregacijom, može biti iskorištena za proizvodnju jednoslojnih uzoraka borofena velikih dimenzija i odličnih strukturnih svojstava.