Бор – многоцелевой неметаллический элемент. Однако за последние пять лет химики высказали только предположения о полезных свойствах и применении двумерных (2D) борсодержащих материалов.

Ученые из Университета Цукубы воплотили теорию в жизнь, синтезируя первые в мире двумерные нанолисты моносульфида бора (BS), которые можно обрабатывать слой за слоем для управления их электронными свойствами. Исследование было недавно опубликовано в Journal of Materials Chemistry A .

Благодаря своей большой площади поверхности и различным электронным состояниям 2D-материалы являются идеальными кандидатами для применения в батареях и других устройствах. Кроме того, интеграция двухмерных строительных блоков в инновационные материалы позволяет лучше контролировать их функции. Более ранние вычислительные исследования предполагали, что BS может специально использовать различные стабильные 2D-структуры с исключительными свойствами.

Таким образом, исследователи разработали объемный бор: сульфидный материал 1: 1 с ромбоэдрической (трехмерный ромб) кристаллической структурой (r-BS). Затем они удалили отдельные нанослои (2D BS), тем самым сохранив кристаллическую структуру исходного материала.

Наш анализ подтвердил наши собственные расчеты. То есть нанолисты BS имели другую ширину запрещенной зоны, чем массивный материал, и, что важно, ширину запрещенной зоны можно было регулировать в зависимости от количества уложенных друг на друга 2D листов BS .

Такахиро Кондо, руководитель исследовательской группы и профессор, Университет Цукуба

Энергия запрещенной зоны материала связана с его способностью проводить электрический ток. Таким образом, это ключевое свойство, связанное с перспективными приложениями для электронных устройств. Исследователи обнаружили, что ширина запрещенной зоны одного нанолиста BS была сравнительно большой. Однако оно постепенно уменьшалось по мере добавления одного или двух дополнительных слоев нанолистов.

В конце концов, энергия запрещенной зоны стопки достигла уровня объемного r-BS после добавления примерно пяти листов.

Эта особенность и небольшая эффективная масса электронов нанолистов BS показали, что они потенциально могут служить полупроводниковыми материалами n-типа с высокой проводимостью. что делает их уникальными среди других известных 2D борсодержащих материалов, не имеющих запрещенной зоны .

Такахиро Кондо, руководитель исследовательской группы и профессор, Университет Цукуба

Электроды, включая r-BS или 2D BS, демонстрируют уникальную структуру запрещенной зоны и, таким образом, реагируют на световые волны различной длины. Для r-BS требовалось облучение с более низкой энергией (например, видимый свет), чтобы проводить ток и демонстрировать фотокаталитическое поведение. Напротив, 2D BS имела большую активную запрещенную зону только в ультрафиолетовом свете с более высокой энергией.

На самом деле бор – интересный кандидат. Явление, вызванное воздействием света, указывает на то, что двумерные моносульфидные материалы бора могут использоваться в электронных или фотокаталитических устройствах. Что наиболее важно, можно настроить их свойства по мере необходимости, изменив количество нанолистов.

Это исследование финансировалось JSPS Kakenhi (грант № JP19H01823, JP19H02551, JP19H05046: A01). Исследование также финансировалось стратегической инициативой MEXT Element по формированию основного исследовательского центра (JPMXP0112101001), Фондом содействия науке и технике Огасавара и MHI Innovation Accelerator LLC.

Ссылка на журнал:

Kusaka, H., и др. . (2021) Нанолисты кристаллического моносульфида бора с настраиваемой шириной запрещенной зоны. Журнал химии материалов A . doi.org/10.1039/D1TA03307G.

Источник: https://www.tsukuba.ac.jp/en/[19459005visible