В отличие от таких систем, как графен на меди, где атомы могут диффундировать в подложку, не образуя отдельного сплава, атомы бора в данном случае образовали определенный двумерный борид меди - новое соединение с отличной атомной структурой. Открытие, опубликованное в журнале Science Advances исследователями из Райса и Северо-Западного университета, закладывает основу для дальнейшего изучения относительно неиспользованного класса 2D-материалов.

"Борофен все еще является материалом, находящимся на грани существования, и это делает важным любой новый факт о нем, расширяя границы наших знаний в области материалов, физики и электроники", - сказал Якобсон, профессор инженерии Карла Ф. Хассельмана из Rice и профессор материаловедения, наноинженерии и химии. "Наш самый первый теоретический анализ предупреждал, что с медью бор будет связываться слишком прочно. Теперь, более десяти лет спустя, оказывается, что мы были правы - и в результате получился не борофен, а нечто совершенно другое".

Предыдущие исследования успешно синтезировали борофен на таких металлах, как серебро и золото, но медь оставалась открытым - и оспариваемым - случаем. Некоторые эксперименты предполагали, что бор может образовывать полиморфный борофен на меди, в то время как другие предполагали, что он может разделяться по фазам на бориды или даже образовывать зародыши в объемные кристаллы. Решение этих задач потребовало уникально детального исследования, сочетающего визуализацию с высоким разрешением, спектроскопию и теоретическое моделирование.

"То, что мои коллеги-экспериментаторы впервые увидели, было этими богатыми образцами изображений с атомным разрешением и спектроскопическими сигнатурами, которые потребовали большой кропотливой работы по интерпретации", - сказал Якобсон.

Эти усилия выявили периодическую зигзагообразную надстройку и отчетливые электронные сигнатуры, обе из которых значительно отличались от известных борофеновых фаз. Четкое соответствие между экспериментальными данными и теоретическим моделированием помогло разрешить спор о природе материала, который образуется на границе раздела между медной подложкой и средой, близкой к вакууму, в камере выращивания.

Хотя борид меди не был тем материалом, который намеревались создать исследователи, его открытие дает важное представление о том, как бор взаимодействует с различными металлическими подложками в двумерных средах. Работа расширяет знания о формировании атомарно тонких материалов из боридов металлов - области, которая могла бы послужить основой для будущих исследований родственных соединений, в том числе имеющих известное технологическое значение, таких как бориды металлов в составе керамики для сверхвысоких температур, которые представляют большой интерес для экстремальных сред и гиперзвуковых систем.

"ДВУХМЕРНЫЙ борид меди, вероятно, будет лишь одним из многих двухмерных боридов металлов, которые могут быть реализованы экспериментально. Мы с нетерпением ожидаем изучения этого нового семейства 2D-материалов, которые имеют широкий потенциал применения в самых разных областях - от электрохимического накопления энергии до квантовых информационных технологий", - сказал Марк Херсам, профессор материаловедения и инженерии Уолтера П. Мерфи в Северо-Западном университете, который является соавтором исследования.

Открытие произошло вскоре после другого прорыва, связанного с бором, совершенного той же командой исследователей теории Райса. В отдельном исследовании, опубликованном в ACS Nano, исследователи показали, что борофен может образовывать высококачественные боковые соединения от края до края с графеном и другими 2D-материалами, обеспечивая лучший электрический контакт, чем даже "громоздкое" золото. Сопоставление двух результатов подчеркивает как перспективность, так и сложность работы с бором в атомном масштабе: его универсальность позволяет создавать удивительные структуры, но также затрудняет контроль.

"Те изображения, которые мы первоначально увидели в экспериментальных данных, выглядели довольно загадочно", - сказал Якобсон. "Но, в конце концов, все встало на свои места и дало логичный ответ - борид металла, бинго! Сначала это было неожиданно, но теперь все решено - и наука может двигаться вперед".

Исследование было проведено при поддержке Управления военно-морских исследований (N00014-21-1-2679 ), Национальный научный фонд (DMR-2308691) и Министерство энергетики Соединенных Штатов (2801SC0012547). Ответственность за содержание настоящего документа лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения финансирующих организаций и учреждений.