Borofeno

El borofeno es una monocapa atómica cristalina de boro , es decir, es un alótropo bidimensional del boro y también se lo conoce como lámina de boro . Predicho por primera vez por la teoría a mediados de la década de 1990, ^[1] diferentes estructuras de borofeno se confirmaron experimentalmente en 2015. ^{[2] [3]}

Experimentalmente, se sintetizaron varios borofenos atómicamente delgados, cristalinos y metálicos sobre superficies metálicas limpias en condiciones de ultra alto vacío. ^{[2] [3]} Su estructura atómica consiste en motivos triangulares y hexagonales mixtos, como se muestra en la Figura 1. La estructura atómica es una consecuencia de una interacción entre enlaces en el plano de dos centros y multicentros, que es típica de elementos deficientes en electrones como el boro. ^[4]

Los borofenos exhiben elasticidad en el plano y resistencia ideal. Puede ser más fuerte que el grafeno y más flexible en algunas configuraciones. ^[5] Los nanotubos de boro también son más rígidos que el grafeno, con un módulo de Young 2D más alto que cualquier otra nanoestructura de carbono y no carbono conocida. ^[6] Dado que se predice teóricamente que el borofeno tiene estructuras electrónicas metálicas y el boro es más ligero que la mayoría de los elementos, se espera que el borofeno sea el metal 2D más ligero realizable experimentalmente. ^[7] _Como con la mayoría de los materiales 2D, se espera que el borofeno tenga propiedades anisotrópicas . En términos de propiedades mecánicas, se predice teóricamente que el borofeno tiene un módulo en el plano de hasta 210 N/m (donde la fracción denota la densidad del hexágono hueco) de hasta 0,17. ^[8] Además, se predice que el módulo es relativamente invariante a la fase ya que v varía de 1/5 a 1/9. ^[8] Este es un punto particularmente destacado porque los borofenos experimentan una nueva transición de fase estructural bajo carga de tracción en el plano en lugar de fracturarse debido a la naturaleza fluxional de su enlace multicéntrico en el plano. ^[8] También se predice que el borofeno v _{1/6 tiene una} rigidez de flexión fuera del plano de 0,39 eV, menor que cualquier material 2D informado. ^[8] La relación entre el módulo y la rigidez (también conocido como el número de Foppl–von Karman por unidad de área) que caracteriza efectivamente la flexibilidad de un material es de alrededor de 570 nm ⁻² para la fase v _1/6 . Estas propiedades predichas están parcialmente respaldadas por trabajo experimental, donde el borofeno v _1/6 se sintetizó en un sustrato de Ag(111) reconstruido en superficie. ^[9] En lugar de crecer como láminas planas de borofeno como se esperaba para los sustratos planos de Ag(111), el borofeno adoptó una configuración ondulada siguiendo de cerca las filas salientes que surgían del sustrato de Ag(111) reconstruido en la superficie. ^[9] La electrónica flexible ideal requiere la capacidad de ser estresada, comprimida e incluso torcida en una amplia gama de geometrías; sin embargo, la mayoría de los materiales 2D informados hasta la fecha no pueden cumplir con todos estos criterios ya que son rígidos contra la deformación en el plano. ^[9] El borofeno ondulado es un material prometedor para la electrónica flexible ya que los materiales 2D ondulados adheridos a sustratos elastoméricos deben seguir siendo fáciles de doblar y permitir grandes deformaciones en el plano. ^[9] Las propiedades mecánicas del borofeno ondulado se estudiaron utilizandoSe encontraron cálculos de primeros principios y que tienen valores similares para las propiedades mecánicas antes mencionadas. ^[9] Comparando estos valores con el grafeno , el material 2D prototípico, el módulo y la rigidez a la flexión del borofeno son menores, mientras que el coeficiente de Poisson es similar. ^[8] En particular, el número de Foppl-von Karman para la fase v _1/6 es más del doble que el del grafeno, lo que indica que los borofenos son capas atómicas flexibles. ^[8] Por lo tanto, los borofenos pueden tener aplicaciones como elementos de refuerzo para compuestos y en interconexiones electrónicas flexibles, electrodos y pantallas. ^{[7] [8]}

El borofeno también tiene potencial como material de ánodo para baterías debido a sus altas capacidades específicas teóricas, conductividad electrónica y propiedades de transporte de iones. El hidrógeno se adsorbe fácilmente al borofeno y ofrece potencial para el almacenamiento de hidrógeno (más del 15 % de su peso). El borofeno puede catalizar la descomposición del hidrógeno molecular en iones de hidrógeno y reducir el agua. ^[5]

Los estudios computacionales de I. Boustani y A. Quandt mostraron que los pequeños cúmulos de boro no adoptan geometrías icosaédricas como los boranos , sino que resultan ser cuasiplanares (ver Figura 2). ^[1] Esto condujo al descubrimiento del llamado principio de Aufbau ^[10] que predice la posibilidad de borofeno (láminas de boro), ^[1] fulerenos de boro ( borosfereno ) ^[11] y nanotubos de boro. ^{[12] [13] [14]}

Estudios adicionales mostraron que el borofeno triangular extendido (Figura 1(c)) es metálico y adopta una geometría no plana, arqueada. ^{[15] [16]} Estudios computacionales adicionales, iniciados por la predicción de un fulereno de boro B _{80 estable,} ^[17] sugirieron que las láminas de borofeno extendidas con estructura de panal y con agujeros hexagonales parcialmente llenos son estables. ^{[18] [19]} Se predijo que estas estructuras de borofeno serían metálicas. La denominada lámina γ (también conocida como borofeno β ₁₂ o lámina υ _1/6 ) se muestra en la Figura 1(a). ^[19]

La planaridad de los cúmulos de boro fue confirmada experimentalmente por primera vez por el equipo de investigación de L.-S. Wang . ^[20] Más tarde demostraron que la estructura de B
₃₆(ver Figura 2) es el cúmulo de boro más pequeño que tiene simetría séxtuple y una vacante hexagonal perfecta, y que puede servir como base potencial para láminas de boro bidimensionales extendidas. ^[21]

Después de la síntesis de siliceno , varios grupos predijeron que el borofeno podría potencialmente realizarse con el apoyo de una superficie metálica. ^{[22] [23] [24]} En particular, se demostró que la estructura reticular del borofeno depende de la superficie metálica, mostrando una desconexión con respecto a la de un estado independiente. ^[25]

En 2015, dos equipos de investigación lograron sintetizar diferentes fases de borofeno en superficies de plata (111) en condiciones de ultra alto vacío. ^{[2] [3]} Entre las tres fases de borofeno sintetizadas (ver Figura 1), una teoría anterior demostró que la lámina v _1/6 , o β ₁₂ , era el estado fundamental en la superficie de Ag(111), ^[25] mientras que el borofeno χ ₃ fue predicho previamente por el equipo de Zeng en 2012. ^[26] Hasta ahora, los borofenos solo existen en sustratos; cómo transferirlos a un sustrato compatible con el dispositivo es necesario, pero sigue siendo un desafío. ^[27]

La epitaxia de haz molecular es el método principal para el crecimiento de borofeno de alta calidad. El alto punto de fusión del boro y el crecimiento de borofenos a temperaturas moderadas plantearon un desafío significativo para la síntesis de borofenos. Utilizando la pirólisis de diborano (B2H6) como fuente de boro puro, un grupo de investigadores informó el crecimiento de láminas de borofeno de espesor atómico mediante deposición química de vapor (CVD) por primera vez. ^[28] Las capas de borofeno CVD muestran un espesor promedio de 4,2 Å, estructura cristalina χ3 y conductividad metálica. ^[28]

La caracterización a escala atómica, apoyada por cálculos teóricos, reveló estructuras que recuerdan a los cúmulos de boro fusionado que consisten en motivos triangulares y hexagonales mixtos, como se predijo previamente por la teoría y se muestra en la Figura 1. La espectroscopia de efecto túnel de barrido confirmó que los borofenos son metálicos. Esto contrasta con los alótropos de boro en masa , que son semiconductores y están marcados por una estructura atómica basada en icosaedros B _{12 .} ^{[ cita requerida ]}

En 2021, los investigadores anunciaron el borofeno hidrogenado sobre un sustrato de plata, denominado borofano. Se afirmó que el nuevo material era mucho más estable que su componente. ^[29] La hidrogenación reduce las tasas de oxidación en más de dos órdenes de magnitud después de la exposición ambiental. ^[30]

La evidencia experimental que respalda la formación de láminas de borofeno bicapa y tricapa apiladas se observó por primera vez en capas de borofeno cultivadas mediante CVD. ^[28] Poco después, se anunció la creación de borofeno de dos capas en agosto de 2021. ^[31]

• Alótropos del boro
• Boroesfereno
• Nanolámina de nitruro de boro

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