Lastnosti borofena

Trikotna strukturna oblika

Ker borofen zaenkrat še ni dostopen v večjih količinah, hkrati pa tudi teoretično še ni široko raziskan, so danes dostopni podatki večinoma bazirani na teoretičnih izračunih za popolno trikotno strukturno obliko.

Zaradi gubanja je trikotna struktura tudi znotraj ravnine visoko anizotropna, kar močno vpliva na vse njene lastnosti. Če mreţo raztegnemo prečno na gube, v (b) smeri, se ta izravna.

Pri tem čelne σ orbitale interferirajo s stranskimi py orbitalami, rezultat česar je kolaps strukture. Prav nasprotno pa se pri obremenitvi v (a) smeri višina gubanja izrazito poveča.

Orbitale se pr tem dodatno stabilizirajo, posledica pa je rekordno visok Youngov modul - E = 2,4 TPa; kar 240% višji od Youngovega modula grafena. Predvideva se, da imajo v trikotni strukturni obliki borofena velik vpliv fononske nestabilnosti, kar se močno odraţa pri povišani krhkosti materiala; teoretično izračunani kritični obremenitvi znašata le 8% v (b) smeri ter 15% v (a) smeri [22]. Mehansko je trikotna strukturna oblika borofena tako trda, a krhka kovina.

Gubanje in posledična anizotropija imata močan vpliv tudi kadar je govora o prevodnostih trikotne strukturne oblike. Kot opisano v dosedanjih poglavjih, je električna prevodnost odvisna predvsem od koncentracije nosilcev naboja, toplotna prevodnost pa sloni na različnih faktorjih.

Slika 3: Funkcija lokacije elektronov (ELF) v trikotni strukturi borofena z vidika različnih kristalografskih smeri: (a) [100], (b) [010], (c) [110] [23].

9

Kot je prikazano na sliki 3, je zaradi prisotnosti gubanja tudi razporeditev elektronskih orbital močno nezvezna, iz česar lahko privzamemo odsotnost Diracovih fermionov. Legenda na strani prikazuje vrednosti od 0 do 1, pri čimer 1 pomeni močno lokalizacijo elektronov, 0,5 pa veliko verjetnost za elektronski oblak. V smeri [0,1,0] lahko opazimo močno kovalentnost vezi, saj so elektroni močno zasidrani med B1 in B2 atomoma. Za potovanje naboja v (b) smeri ta kovalentna vez z visoko elektronsko gostoto predstavlja teţko premagljivo oviro.

Obratno lahko opazimo visoko verjetnost za pojavljanje elektronskega oblaka ob B atomih, ko gledamo v (a) smeri. Iz tega lahko sklepamo, da so nosilci naboja pri potovanju v (a) smeri razmeroma mobilni, kar pomeni višjo električno prevodnost. Kot pričakovano je električna prevodnost trikotne strukturne oblike borofena močno anizotropna, kar bi lahko s pridom izkoristili v določenih aplikacijah [23].

Toplotna prevodnost trikotne strukturne oblike borofena je ena izmed redkih izmerjenih fizičnih lastnosti borofena ter znaša zgolj 300 W/mK. Medtem ko del razloga za nizko zoplotno prevodnost zagotovo leţi v odsotnosti Diracovih fermionov, pa je zelo pomemben tudi vpliv fononskih izgub. Ker je vsak atom v (b) smeri delno v drugi ravnini kot prejšnji, so te pri prenosu energije vzdolţ mreţe precejšne.

Medtem ko je strukturna oblika borofena s heksagonalnimi prazninami sposobna naravne indukcije Diracovih fermionov s kombiniranjem pz orbital, je iz slike 3 razvidno, da v primeru trikotne strukture temu ni tako. Zanimivo je, da Feng in sodelavci sicer predlagajo razdelitev trikotne strukture na podenote, ki bi bile sposobne tvoriti Diracove stoţce pribliţno 2 eV nad Fermijevim nivojem [29]. Ta premik v energiji bi bil lahko posledica borovega elektronskega primanjkljaja, kar bi pojasnilo, zakaj se prosta energija trikotne strukturne oblike borofena močno viša z rastjo temperature, hkrati pa bi omogočilo tvorbo Diracovega oblaka v kontaktu z donorjem elektronov, kar bi odprlo vrata za uporabo v dodatnih aplikacijah [23]. Vse to so še vedno zgolj špekulacije, saj tematika še ni dovolj raziskana, da bi lahko prišli do enotnega zaključka.

Strukturni obliki β12 and χ3

V nasprotju s trikotno strukturno obliko, sta β12 in χ3 podstrukturi resnično planarni, kar pomeni da sta hkrati tudi najtanjši in najlaţji poznan 2D nanomaterial. Zaradi heksagonalnih praznin lahko govorimo o prisotnosti Diracovih fermionov, ki nastanejo pri povezavi pz

orbital. Pri tem je potrebno poudariti, da dodatni B atomi, ki stabilizirajo mreţo tvorijo atomske gostotne grebene, kar inducira vzdolţne prekinitve v oblaku Diracovih fermionov.

Visoka koncentracija močnih B-B vezi vzdolţ tega atomskega grebena se kaţe tudi pri visokem Youngovem modulu, ki je blizu Youngovem modulu grafena. Močne vezi ter resnična planarnost vplivajo tudi na izjemno visoko teoretično toplotno prevodnost, ki bi lahko znašala kar 8*10³ W/mK. Čeprav k tej vrednosti doprinesejo tudi minimalne fononske izgube, je za večinski del odgovorna dobra elektronska toplotna prevodnost, ki je v β12 in χ3

podstrukturah kar 7x večja kot v grafenu [30]. To je hkrati dodaten dokaz o prisotnosti naravno induciranih Diracovih fermionov, zaradi katerih je tudi električna prevodnost pričakovana nekje v rangu grafena.

10

Čeprav se lastnosti podstruktur β12 in χ3 po opisanem zdijo precej superiorne napram trikotni strukturni obliki, imata obe obliki visok potencial, saj se uporabnost trikotne strukture skriva v izkoriščanju njene planarne anizotropije. Visokim pričakovanjem navkljub se je potrebno zavedati, da so zgoraj navedene lastnosti v večini zgolj teoretične predikcije, ki jih zaradi nestabilnosti prostostoječega materiala trenutno še ne moremo eksperimentalno potrditi [20].

Prekurzorski material

V literaturi so omenjene zgolj kristalinične strukturne oblike borofena, zato je bilo veliko presenečenje, ko je Eva Cizel v svoji magistrski nalogi [31] s pomočjo XRD analize dokazala amorfnost plastovitega borofena, ki bo v nadaljevanju uporabljen kot prekurzorski material.

Posledica drugačne strukturne oblike prekurzorskega materiala napram kristaliničnim strukturam so seveda tudi različne mehanske in prevodniške lastnosti. V svoji diplomski nalogi sem določil električno upornost (ρ = 26,5 kΩ) ter specifično površino (6,75 m²/g) prekurzorskega borofena [6]. Nizka specifična površina je predvsem posledica teţko dostopnih plasti v volumnu delcev, za razmeroma visoko električno upornost pa je kriva njihova naključna orientacija. Glede na to, da je za obe lastnosti odgovorna predvsem morfologija materiala, lahko pričakujemo veliko spremembo obeh ob morebitni razplastitvi na nanoplasti.

Zgornja trditev ne drţi kadar govorimo o termični obstojnosti, saj je slednja odvisna predvsem od notranje strukture, ki se pri razplastitvi ne spreminja. Iz tega sledi, da spodnje vrednosti opisujejo tako mnogoplasten borofen, kot tudi morebitne borofenske nanoplasti.

Slika 4: TGA-MS analiza mnogoplastnega borofena v kisikovi atmosferi. Črna črta priakzuje masne spremembe materiala zaradi oksidacije, oranžna pa porabo kisika [32].

TGA-MS analiza prekurzorskega materiala, ki jo je Eva Cizel izvedla v O2 atmosferi (slika 4) prikazuje nizko stopnjo oksidacije in posledično dobro obstojnost pri temperaturah do 600°C [32]. Testiranje v Ar atmosferi ni potrebno, saj ţe sintezni postopek prekurzorskega materiala vključuje dolgotrajno izpostavljenost temperaturam okoli 800°C. Zanimivo je, da so kljub amorfni strukturi vrednosti popolnoma konkurenčne toplotni obstojnosti kristaliničnega monoplastnega borofena, ki je pridobljen s pomočjo CVD sinteze (do 400°C v O2 atmosferi in do 1000°C v inertni Ar atmosferi [20]).

11