Borofen

Borofen je 2D alotropická modifikace boru, jde o krystalickou monovrstvu tvořenou atomy boru. První předpověď existence této modifikace je z roku 1997,^[1] v roce 2015 se povedlo připravit první borofenové struktury.^[2][3][4]

Krystalové struktury připravených borofenů: (a) β₁₂ borofen (taky označovaný jako γ list nebo υ_1/6 list), (b) χ₃ borofen (υ_1/5 list), (c) borofenová vrstva

Vlastnosti

Depozicí na čistý kovový substrát v ultravysokém vakuu byla připravena skupina krystalických a metalických borofenů.^[2][3] Jejich struktury sestávají z trojúhelníkových a šestiúhelníkových motivů. Struktura je dána kombinací dvoucenterních a vícecenterních vazeb, které jsou typické pro elektronově deficitní prvky, jako je bor.

Borofeny vykazují elasticitu v rovině a vysokou pevnost. V některých modifikacích mohou být pevnější a pružnější než grafen. Na základě výpočtů se předpokládá, že bude mít borofen elektronovou strukturu kovů, jelikož je bor lehčí než jakýkoliv kov, půjde o nejlehčí experimentálně připravený 2D kovový materiál.^[5]

Díky teoretickým vysokým měrným kapacitám, elektrické a iontové vodivosti je borofen perspektivním materiálem pro anody akumulátorů. Má také schopnost snadno adsorbovat vodík, více než 15 % vlastní hmotnosti, to je zajímavé pro systémy na ukládání vodíku.^[6] Borofen také dokáže katalyzovat rozklad molekulárního vodíku (H₂ → 2 H) a redukovat vodu.^[7]

Historie

Klastr B₃₆, lze ho považovat za nejmenší borofen

Výpočetní studie I. Boustaniho a A. Quandta z roku 1997 ukázaly, že malé klastry boru nemají ikosaedrickou geometrii jako borany, ale že jsou kvazirovinné.^[1] To vedlo k objevu tzv. Aufbau principu,^[8] který předpovídá možnost vzniku borofenu (bórových listů),^[1] bórových fullerenů (borosférenů)^[9] a bórových nanotrubic.^[9][10][11]

Další studie ukázaly, že rozšířené trojúhelníkové borofeny jsou kovové a zaujímají neplanární, prohnutou geometrii.^[12][13] Další výpočetní studie, založené na předpovědí stabilního bórového fullerenu B₈₀,^[14] naznačily, že rozšířené borofenové listy s voštinovou strukturou a s částečně vyplněnými hexagonálními otvory jsou stabilní.^[15][16] Tyto struktury borofenu byly předpovězeny jako kovové. Takzvaný γ list je známý také jako β₁₂ borofen nebo υ_1/6 list.^[15]

Planarita borových plátů byla poprvé experimentálně potvrzena v roce 2003.^[17] Později ukázali, že struktura B₃₆ je nejmenší 2D jednotka bóru, která má šestičetnou symetrii a uprostřed šestiúhelníkový otvor. Může tedy sloužit jako potenciální základ pro složitější dvourozměrné struktury bóru.^[18]

Syntéza silicenu ukázala, že by mohl být borofen připraven depozicí na kovový substrát.^[19][20][21] Zejména se ukázalo, že krystalová struktura borofenu je dána strukturou kovového povrchu na který byla deponována.^[22]

V roce 2015 se dvěma výzkumným týmům podařilo syntetizovat různé fáze borofenu na povrchu krystalu stříbra(111) v ultravysokém vakuu.^[23][24] Ze tří syntetizovaných fází borofenu se, v souladu s dřívější teorií, jako základní stav na povrchu Ag(111) potvrdil list v_1/6 neboli β₁₂,^[22] zatímco struktura borofenu χ₃ byla predikována až v roce 2012.^[25] Borofeny zatím existují pouze na substrátech, na kterých byly připraveny.^[26]

Syntéza

Hlavní metodou pro růst vysoce kvalitního borofenu je epitaxe z molekulárních svazků. Vysoká teplota tání boru a růst borofenů při mírných teplotách představovaly pro syntézu borofenů značnou výzvu. S využitím pyrolýzy diboranu (B₂H₆) jako zdroje čistého boru skupina výzkumníků poprvé oznámila růst monoatomických vrstev borofenu pomocí chemické depozice z plynné fáze (CVD).^[27] Vrstvy borofenu vytvořené pomocí CVD vykazují průměrnou tloušťku 4,2 Å, krystalickou strukturu a kovovou vodivost.^[27]

Charakterizace v atomárním měřítku, podpořená teoretickými výpočty, odhalila struktury připomínající roztavené klastry bóru sestávající ze smíšených trojúhelníkových a hexagonálních motivů, jak již dříve předpověděla teorie. Skenovací tunelová spektroskopie potvrdila, že borofeny jsou kovové. To je v kontrastu s bulkovými alotropy boru, které jsou polovodivé a vyznačují se strukturou založenou na ikosaedrech B₁₂.

V roce 2021 vědci oznámili přípravu hydrogenovaného borofenu na stříbrném substrátu, produkt nazvali borofan.^[28] Struktura je složena ze dvou vrstev, na stříbrném substrátu je vrstva boru a na ní vodíku. Stabilita tohoto produktu je vyšší než stabilita samotného borofenu.^[28]

Vícevrstvý borofen

Existence dvoj- a trojvrstev byla poprvé pozorována o borofenu připraveného CVD metodou.^[29] Brzy poté byla publikována první cílená příprava dvojvrstvého borofenu.^[30]