Слоистые кристаллические нанолисты раскрывают настраиваемые электронные свойства

Бор — универсальный неметаллический элемент, но до последних пяти лет химики только теоретизировали о полезных свойствах и приложениях двухмерных (2D) борсодержащих материалов. Группа, возглавляемая исследователями из Цукубского университета, теперь реализовала теорию, подготовив первые 2D нанолисты моносульфида бора (BS), которые могут управляться слой за слоем для контроля их электронных свойств.

Врождённые большие площадки поверхности и разнообразные электронные состояния 2D материалов делают их хорошими кандидатами для приложений в батареях и других устройствах. Более того, комбинирование 2D строительных блоков в новые материалы может позволить больший контроль над их функциональностью. Предыдущие вычислительные исследования предполагали, что BS может принимать несколько стабильных 2D структур с уникальными свойствами. Поэтому исследователи изготовили 1:1 объёмный материал бора:сульфида, который имел ромбоэдрическую (трёхмерный ромб) кристаллическую структуру (r-BS), а затем отделили отдельные нанослои (2D BS), которые сохранили оригинальную кристаллическую расстановку материала.

«Наш анализ подтвердил то, что предсказали наши собственные расчёты», — говорит лидер исследовательской группы, профессор Такахиро Кондо. «То есть, нанолисты BS имели другую энергию запрещённой зоны, чем объёмный материал, и, что важно, запрещённая зона могла быть настроена на основе количества наложенных 2D листов BS».

Способность проводить электрический ток связана с энергией запрещённой зоны материала, поэтому это ключевое свойство, связанное с потенциальными электронными приложениями. Исследователи обнаружили, что энергия запрещённой зоны одиночного нанолиста BS была относительно большой, но она последовательно уменьшалась, когда они добавляли один или два дополнительных нанолиста. Энергия запрещённой зоны наложения в конечном счёте достигла уровня объёмного r-BS после сборки примерно пяти листов.

«Эта особенность и лёгкая эффективная масса электрона нанолистов BS указывали на то, что они потенциально могут служить n-тип полупроводниковыми материалами с высокой проводимостью», — сказал Кондо, «что делает их уникальными среди других известных 2D борсодержащих материалов, не имеющих запрещённых зон».

Из-за их уникальных запрещённых зон, электроды, состоящие из r-BS или 2D BS, реагировали на разные длины волн света. r-BS требовал низкоэнергетического облучения (видимый свет) для проведения тока и демонстрации фото каталитического поведения, в то время как более большая запрещённая зона 2D BS была активна только под высокоэнергетическим ультрафиолетовым светом.

Действительно, бор далек от скучного! Эти светово-индуцированные явления подсвечивают тот факт, что 2D материалы моносульфида бора могут применяться в фото каталитических или электронных устройствах, и, что важно, их свойства могут быть настроены по мере необходимости контролем количества нанолистов.