Esnek borun yeni formu elektriksel olarak 10 milyon kat daha iletken

Periyodik tablonun 5. elementinin atomları sıklıkla birbirlerinin yanında bulunur ve her biri benzersiz kimyasal ve fiziksel özellikler taşıyan, zengin çeşitlilikte yapısal motiflere sahip allotroplar oluşturur. Uzun kataloğa rağmen bor allotroplarının çoğu aynı anda yüksek elektrik iletkenliğine ve plastisiteye sahip değildir, ancak yakın zamanda yapılan bir çalışma portföyü genişletmiştir.

Bilim insanları şimdi Imma-B adında yeni bir allotrop tasarladılar₆₀ sodyum borür bileşiği Na’dan sodyumun yıkanmasıyla₄B₆₀. Bulguları şu adreste yayınlandı: Doğa Kimyası.

Imma-B, bor elementinin standart formlarında bulunan yoğun, sıkı paketlenmiş atomik düzenlemelerin aksine₆₀ 3 atomlu üçgen bor birimleriyle birbirine bağlanan 12 atomlu bor kafeslerinden oluşan gözenekli, açık bir çerçeve oluşturur. Bu benzersiz yapı, stres altında dahili olarak kayarak allotropun esnek olmasını ve parçalanmadan %23 oranında deforme olmasını sağlar. Imma-B₆₀ ayrıca 0,2 eV’nin altındaki çok dar bant aralığı sayesinde elektriği borun yaygın formundan 10 milyon kat daha iyi iletir.

Kırılgan borun ötesine geçmek

Boron’un birden fazla şapka taktığı biliniyor. Bazen yarı iletken teknolojisinde önemli bir rol oynar; diğer zamanlarda, alışılmadık derecede güçlü nötron saçılma yeteneği nedeniyle, nötron saçılım araştırmalarında ve nükleer uygulamalarda da vazgeçilmez hale geldi.

Onu kullanışlı kılan yapısal özellikleri aynı zamanda bazı dezavantajları da beraberinde getirir. Örneğin, elementel borun geleneksel formları doğal olarak süper serttir, mekanik stres altında kırılgandır ve 1,5 eV’nin üzerinde geniş bant aralıklarına sahip zayıf elektrik iletkenleridir.

Yıllar boyunca, elemental borun plastik ve son derece iletken bir formu yalnızca kağıt üzerinde mevcuttu; bu, teoriler ve ilk prensip hesaplamalarıyla sınırlı, umut verici bir fikirdi. Aslında bunu yapmak kimyagerleri on yılı aşkın süredir şaşkına çeviriyor. Bor allotroplarını sentezlemek için olağan yol, bor atomlarını doğal olarak yoğun, sıkı paketlenmiş kristallere iten tek adımlı yüksek basınç, yüksek sıcaklık yöntemlerine dayanır.

Açık çerçeveler için, bilim adamları geçici konuk metal atomlarının etrafında bir öncül iskele inşa etmeyi ve ardından metali pişirmeyi teorileştirdiler. Bu bile sıklıkla başarısız oluyor çünkü bor, elektron eksikliği nedeniyle metal atomlarıyla güçlü bir şekilde bağlanıyor ve konuk ekstraksiyon adımını inatla zorlaştırıyor.

Yeni bir tür bor

Bu çalışmada araştırmacılar engelleri aşmanın bir yolunu buldular. Sodyum borür (Na) ile başladılar₄B₆₀) bor allotropunu oluşturmak için bir iskele olarak.

Daha önceki çalışmalar yalnızca küçük, düşük kaliteli sodyum borür kristalleri üretebiliyordu, bu da allotrop oluşumu için önemli bir adım olan gazdan arındırmayı oldukça zorlaştırıyordu, bu nedenle araştırmacılar sodyum borür oluşumu sırasında çinko ara katmanları eklediler. Çinko, birbirine bağlı bor kafeslerinin oluşturduğu açık kanalların içinde sodyum atomlarının bulunduğu büyük kristallerin büyümesini sağladı.

Daha sonra sodyum borür kristallerini vakumlu fırına yerleştirdiler ve iki gün boyunca 900°C’de pişirdiler. Vakum, sodyum atomlarını açık yapısal kanallardan dışarı çekerek, Imma-B’nin sağlam çerçevesini geride bıraktı.₆₀elementel borun yeni, saf bir formu.

Imma-B₆₀ dar bant aralıklı bir yarı iletken gibi davrandı, oda sıcaklığında elektriği standart eşkenar dörtgen bordan yaklaşık yedi kat daha yüksek olarak iletti ve kabaca 9 × 10’a ulaştı.² S m^-1. Ayrıca Imma-B’deki sıkıştırma testleri nedeniyle beklenenden daha plastik olduğu ortaya çıktı.₆₀ Nanosütunlar, malzemenin kırılmadan yaklaşık %32 gerinime ulaşabileceğini gösterdi.

Yüksek çözünürlüklü görüntüleme, atomik düzlemlerin stres altında birbirinin üzerinden sorunsuz bir şekilde kaydığı dislokasyon aracılı bir kayma mekanizması nedeniyle bükülmesinin mümkün olduğunu ortaya çıkardı.

Yeni iki aşamalı iskele rotası, tamamen bordan yapılmış, ancak allotropik muadillerinden farklı özelliklere sahip yeni bir malzeme sağlıyor. Araştırmacılar Imma-B’nin olduğuna inanıyor₆₀ mekanik olarak esnek, işlevsel inorganik malzemelerin tasarlanması için bir temel sağlayabilir ve borun geleneksel yarı iletken fazlarının çok ötesinde olanaklar sunabilir.