1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Innovation Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

بروفن به‌عنوان الگویی برای توسعه‌ی مواد سنتزی دوبعدی

افراد مقاله : ‌ مترجم - زهرا اکرمی , مترجم - صادق قربان زاده

موضوع : آموزش و ترویج - علم و پژوهش کلمات کلیدی : مواد پیشرفته - مواد سنتزی - مهندسی مواد تاریخ مقاله : 1398/07/19 تعداد بازدید : 414

سنتز مواد دوبعدی بدون اینکه آلوتروپ (دگرشکل) لایه‌ای توده‌ای مشابهی داشته باشند، نویدبخش دستیابی به گستره‌ای از ویژگی‌های مهم فیزیکی و شیمیایی است. علی‌رغم تلاش‌های نظری و آزمایشگاهی، به‌منظور دستیابی موفقیت‌آمیز به مواد دوبعدی سنتزی بسیار کم بوده است. اما سنتز اخیر پلی‌مورف‌های دوبعدی بور (بروفن) نمونۀ قابل توجهی از چنین موفقیتی است. در این مقاله، ما درباره‌ی پیشرفت‌های اخیر و فرصت‌های آینده برای پژوهش‌های بروفن بحث می‌کنیم. بروفن با داشتن ویژگی‌های مکانیکی منحصربفرد و خواص فلزی ناهمسانگرد ، خواص مواد دوبعدی سنتی را کامل می‌کند. ویژگی‌های چندمرکزی پیوند بورـ‌بور به شکل‌گیری ساختارهایی با جای خالی درونی و متفاوت در پیکربندی می‌انجامد. این تنوع در شکل، موجب پیدایش تفاوت‌های غیرمنتظره‌ای در سیستم‌های دوبعدی تک‌عنصری با کاربردهای بالقوه‌ی الکترونیکی، عامل‌دار کردن شیمیایی، سنتز مواد و هتروساختارهای پیچیده می‌شود. نتایجی که از سنتز مبتنی بر محاسبات برای بروفن به دست آمده است، می‌تواند به‌عنوان پیش‌نمونه‌ای برای تلاش‌های جاری در مسیر کشف و استفاده از مواد دوبعدی سنتزی مورد توجه قرار گیرد.

 

پس از جداسازی گرافن از کریستال‌های گرافیت، مواد متنوعی به نازکی اتم از مواد جامد توده‌ای با ساختارهای درونی لایه‌ای استخراج شد. این مواد دوبعدی ویژگی‌های فیزیکی خارق العاده‌ای از خود نشان دادند که برای کاربردهای روزافزون الکترونیکی، فتونیکی، تبدیل و ذخیره‌‌سازی انرژی و فناوری‌های زیست‌پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرند. هرچند پدیده‌های ذاتی مشاهده شده در مواد دوبعدی می‌توانند از طریق فاکتورهای خارجی (برای مثال کرنش، دوپینگ، زیرلایه، محیط و عامل‌دار کردن شیمیایی) تا حدی اصلاح شوند، مهمترین فاکتور در تعیین ویژگی‌های مادی آن‌ها ـ ساختار اتمی صفحه‌ای ـ لزوما ثابت است. رشد مواد دوبعدی کاملا سنتز شده فرصت‌‌های فراوانی برای مواد مهندسی شده با رفتارهای جدید و خاص ارائه می‌دهد.

علیرغلم این پتانسیل مهم، کشف و سنتز ساختارهای اتمی جدید با ویژگی‌های از پیش تعیین شده، همچنان ازجمله غیرقابل‌کنترل‌ترین چالش‌ها برای شاخه‌ی مهندسی مواد به شمار می رود. به‌ویژه برای مواد سنتزی دو بعدی، چندین فاکتور از جمله عنصر‌های اصلی، زیرلایه‌ی رشد و شرایط فرآیند در تعیین ساختار اتمی حاصل، نقش مهم و اغلب رقابتی ایفا می‌کنند. تا چندی پیش، بررسی تعداد قابل توجهی از مدل‌های ساختاری به روش تحلیلی ممکن نبود، اما پیشرفت‌ها در تئوری علوم محاسباتی مواد، الگوریتم‌ها و سخت‌افزار کامپیوتر، موجب شده است که مطالعه‌ی سیستم‌های پیچیده از جمله پیش‌بینی ساختار و ویژگی زیرلایه‌-رولایه ممکن گردد. در بخش آزمایشگاهی، دانش ساخت سطوح با کیفیت بالا و ابزارهای سنتز با خلاء بسیار بالا، مسیر را برای آزمایش پیش‌بینی‌های نظری با دقت اتمی و تحت شرایط ایده‌آل فراهم کرده، توسعه‌ی تکرارپذیر تجربی و نظری را ممکن می‌سازد.

به دنبال این رویکرد، طیفی از مواد دوبعدی سنتزی در سال‌های اخیر به‌دست آمده‌اند (برای مثال سیلیسین، جرمانین، استانین، آنتیمونین، بیسموتین و تلورین). هرچند مطالعه‌ی این مواد همچنان در مراحل ابتدایی است اما پیش‌بینی‌ها و اندازه‌گیری‌های اولیه‌ی ویژگی‌های آن‌ها، تایید می‌کند که این مواد مکمل مواد دوبعدی سنتی (لایه‌های تولید شده از بالک) هستند. در میان این‌ مواد، بروفن چند ویژگی منحصربفرد دارد که در شکل 1 نشان داده شده است. برای مثال، بروفن خانواده‌ای از ساختارهایی با ناهمسانگردی و پلی‌مورفیسم از خود نشان می‌دهد، بنابراین تنظیم‌پذیری ویژگی بالایی دارد. به‌طورکلی، این ساختارها چندین رفتار معمول از خود نشان می‌دهند. جالب‌توجه است که انتظار می‌رود بروفن در بیشتر مدل‌های ساختاری‌اش، رفتار فلزی داشته باشد، لذا به‌عنوان سبک‌ترین فلز دوبعدی توصیف می‌شود (در مقابل شبه‌فلزاتی چون گرافن و سیلیسین یا نیمه‌رسانا‌هایی مانند فسفرین) ؛ همچنین چکش‌خواری مکانیکی و شفافیت نوری نیز از خود بروز می‌دهد. این ترکیب ویژگی‌ها در فهرست مواد دوبعدی سنتی یا سنتزی دیده نمی‌شود. ابررسانایی حرارتی نسبتا بالا نیز از بروفن انتظار می‌رود و انتقال گرما بین 10 تا 20 کلوین پیش‌بینی می‌شود. علاوه‌براین، پیش‌بینی‌های نظری‌ درباره‌ی امکان‌پذیرترین "مدل‌های ساختاری زیرلایه-پیوند[2]"، پیش از هرگونه شواهد تجربی برای بروفن وجود داشته است. بنابراین وجود این مدل‌ها اثبات می‌کند که مدل‌های محاسباتی تا جایی توسعه یافته‌اند که می‌توانند به‌طور موثر تلاش‌های تجربی سنتزی را هدایت کنند. به این لحاظ، بروفن به‌عنوان نمونه اولیه برای پیش‌بینی و کشف مواد دوبعدی سنتزی جدید مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این مقاله مروری، ما خط سیر پژوهشی در سنتز بروفن را شرح می‌دهیم و مسیر نویدبخش پژوهش‌های آینده را در زمینه‌ی بروفن و شاخه‌ی گسترده‌تر در حال‌ ظهور مواد سنتزی دوبعدی پیشنهاد می‌دهیم.

 

بور عنصری

بور به‌عنوان سبک‌ترین شبه‌فلز (شکل 2الف) ، برای تشکیل شبکه‌های کووالانسی گسترده کمترین عدد اتمی را دارد. هرچند، لایه‌ی بیرونی سه‌ ظرفیتی بور نمی‌تواند ساختار الکترونی با لایه‌ی ظرفیت پر[3] را با پیوند سنتی کووالانسی برقرار کند، در عوض پیوندهای نامتمرکزی تشکیل می‌دهد که در آن جفت‌های الکترون میان سه اتم یا بیشتر مشترک هستند. در نتیجه برخلاف دگرشکل‌های نسبتا سر راست کربن، بور تا 16 دگرشکل توده‌ای گزارش شده از خود نشان داده است. این ساختارها، مانند  (شکل 2ب) ، بر اساس مجموعه‌ای از عناصر با ساختار مشترک، مانند بیست‌وجهی B12، خوشه‌های کوچک‌تر بور و قفس‌های بزرگتر هستند. این پیچیدگی به‌دلیل نیاز به برقراری تعادل در پیوند‌های سنتی دو مرکزی، دو الکترونی (2c2e) ، و پیوند‌های نامتمرکز غیرسنتی مانند پیوندهای سه مرکزی، دو الکترونی (3c2e) است تا به لایه‌ی الکترونی تکمیل بیرونی دست پیدا کنیم. به‌نظر می‌رسد پیکربندی از پیش تعیین شده‌ی پیوند سه‌وجهی بور توده‌ای، پتانسیل کمی برای رشد بور دو‌وجهی دارد. افزون‌براین، با اینکه ترکیب‌های بوراید، مانند MgB2، لایه‌های بور شبه‌گرافن از خود نشان داده‌اند، برخلاف اتصال ضعیف لایه‌های گرافن در گرافیت، این لایه‌ها اتصال محکمی دارند.

از سوی دیگر، خوشه‌های کوچکی که در خلاء با کَند و سوز لیزری[4] شکل گرفته بودند، شواهدی ارائه می‌دهند مبنی بر اینکه بور می‌تواند ساختارهای صفحه‌ای ساده تشکیل دهد (شکل 2د) که متفاوت از پیچیدگی‌های توده‌ی سه بعدی هستند. این خوشه‌های مولکولی ساختار الکترونی آروماتیک و غیر آروماتیک شبیه به هیدروکربن‌های چند حلقه‌ای دارند، همچنین داری چند ویژگی هستند که همیشه با بروفن همراه است، از جمله توسعه‌ی جای خالی شش‌ضلعی با افزایش اندازه. پیش از مشاهده‌ی بروفن، چندین نانوساختار بور با CVD رشد داده شده‌اند، مانند نانوسیم‌هایی با ساختار درونی توده‌ای شکل. نانولوله‌های تک دیواره و چند‌دیواره‌ی بور نیز گزارش شده‌اند، اما ساختار اتمی آن‌ها ناشناخته باقی‌مانده است. اخیرا، نانوساختار‌های صفحه‌ای بور با CVD و انتقال شیمیایی پیش‌ماده‌های بوراید سنتز شده‌اند. هرچند، این تلاش‌ها با اکسایش سریع بور در هوای باز و حضور کربن و دیگر آلاینده‌ها با شکست مواجه شده است.

 

نظریه‌های آغازین بروفن

وجود مولکول‌های صفحه‌ای بور و توده‌های قفس مانند آن نشان می‌دهد که این عنصر بسیاری از خصوصیات کربن را دارد. با این وجود، تنها بر اساس این مشاهدات، مشخص نیست بور بتواند ساختار دو بعدی مانند گرافن تشکیل دهد. از آنجاییکه بور در مقایسه‌ با کربن یک الکترون کم دارد، صفحات لانه زنبوری ناپایدارند و تنها می‌توانند روی سطح بعضی از فلزات دی‌براید وجود داشته باشند. لایه‌ی دوبعدی تشکیل شده از خوشه‌های بیست‌وجهی B12 ــ واحد ساختاری ساده در توده‌ی بور (شکل 3الف) ــ نیز به‌دلیل اتم‌های واکنش‌پذیر بور روی سطح، ناپایدار است. در مقابل، صفحه‌ی مثلثی نسبتا پایدار بر اساس اصل آفبا پیشنهاد شده که از ظاهر هرم‌های شش‌وجهی در خوشه‌های کوچک بور الهام گرفته شده است (شکل 3ب). این شبکه‌بندی مثلثی بیرون صفحه در ردیف‌های بالا به پایین درهم قلاب می‌شوند. اخیرا، پیش‌‌بینی شده که شبکه‌بندی مثلثی، ساختارهای دوبعدی بور با حالت الکترونی دیراک ذاتی می‌سازد.

اخیرا ساختار مفهومی متفاوتی پیشنهاد شده که در آن صفحات کاملا صاف بور (یعنی مدل صفحه‌ی آلفا) از باز کردن فولرین B80 گرفته می‌شود (شکل 3ج). صفحه‌ی آلفا تقارنی شبیه به گرافن دارد و شامل شش‌ضلعی‌های خالی و جدا (HHs[5]) با تمرکز v = 1/9 است (v = m/N، m تعداد HHs در شبکه‌بندی مثلثی با N جایگاه شبکه است). در هم آمیختگی HHs و شبکه‌بندی مثلثی در صفحه‌ی آلفا به پرکردن بهینه‌ی اوربیتال‌های الکترونی صفحه‌ای می‌انجامد، و در نتیجه ساختاری صفحه‌ای و پایداری بیشتری از شبکه‌بندی مثلثی دارد. به‌علاوه، ظاهر HHs در شبکه‌بندی مثلثی غیر از این، تفاوت‌های ساختاری مهمی برای بروفن دارد که خود را با ‌عنوان تراکم و ترتیب متفاوت HHs نشان می‌دهد. برای توضیح بیشتر در این زمینه، مطالعات بعدی گزارشی از یک سری از صفحات بروفن ارائه داد که HHs‌ها در الگوی متفاوتی چیده شده بودند و پایداری قابل قیاسی با صفحه‌ی آلفا داشتند.

 

از بروفن ساده تا بروفن با زیرلایه

تعداد بسیار زیاد HHs در چیدمان بروفن، پیش‌بینی‌هایی که مبنی بر ساختار حالت پایه‌ی آن با استفاده از روش‌های نظریه‌ی تابع چگالی (DFT) هستند را رد می‌کند. بنابراین، چندین مطالعه‌ی نظری خواستار روش‌های سریع برای پژوهش پیرامون حداقل‌ انرژی درمیان ساختارهای ممکن بروفن شدند. به‌طور مشخص، در یک تحقیق از روش گسترش خوشه با در نظر گرفتن صفحات بروفن به‌عنوان آلیاژ متشکل از HHs و شبکه‌ی مثلثی استفاده شده است، که باعث ارزیابی کارامد پایداری ساختاری بروفن می‌شود. شکل 3د حالت پایه‌ی بروفن را به‌عنوان تابع v نشان می‌دهد، که عنوان می‌کند صفحات v1/8، v4/33 و v2/15 از صفحات آلفا با چندین meV در هر اتم پایدارتراند (شکل 3د، الحاق). این تفاوت انرژی کم نشان می‌دهد که بروفن زمانیکه در دمای محدود سنتز می‌شود، پلی مورفیزم دارد. هرچند، پیش‌بینی شده که تقریبا تمام فرم‌های بروفن در ساختار الکترونی، فلزی هستند.

از آنجاییکه ساختارهای توده‌ای بور به‌طور طبیعی لایه لایه نیستند، بروفن به‌طور ذاتی شبه‌پایدار است و انرژی‌ کلی‌اش تا 400 meV در هر اتم، بالاتر از بور توده‌ای است. این شبه‌پایداری نشان می‌دهد که برای سنتز صفحه‌ی دوبعدی زیرلایه‌ی مناسبی نیاز است. به‌طور ایده‌آل چنین زیرلایه‌ای چسبندگی کافی به اتم‌های بور را دارد، اما به‌اندازه‌ی کافی محکم متصل نمی‌شود تا با بور آلیاژ یا ترکیب شود. در حالت هسته‌زایی سه بعدی بخشی از اتم‌های بور می‌توانند با زیر لایه تعامل داشته باشند اما هسته‌ی دوبعدی به منظور کاهش سطح تشکیلش می‌تواند کاملا با زیرلایه واکنش دهد، به همین دلیل پیش بینی می‌شود از نظر هسته زایی رشد دوبعدی مانع کمتری پیش رو خواهد داشت، همچنین زمانی که بور به صورت دو بعدی هسته‌زایی می‌کند از نظر سینتیکی امکان تبدیل به ساختار سه بعدی برای آن وجود ندارد. محاسابات نشان می‌دهد که زیرلایه‌ی نقره از این شرایط برخوردار است. شبیه‌سازی‌ها نیز نشان داده که جزیره‌های HHs می‌تواند خودبه‌خود در طول هسته‌زایی بور روی مس (111) ظاهر شوند.

زیرلایه‌ها فراتر از گسترش هسته‌زایی، روی حالت پایه‌ی بروفن نیز تأثیر می‌گذارند. ساختار ترجیحی روی نقره، مس و نیکل، صفحه‌ی v 1/6 صاف (شکل 3هـ) است. درحالیکه صفحه‌ی v 1/12 با قلاب‌های غیرصفحه‌ای روی طلا قابل ترجیح است، چراکه بروفن به طلا الکترون قرض می‌دهد اما از نقره، مس و نیکل الکترون می‌گیرد. صفحه‌ی v 1/5 صاف روی نقره (111) پایداری قابل قیاسی با صفحه‌ی v 1/6 دارد (شکل 3ی). صفحات v 1/5 و v 1/6 ردیف‌های HH موازی دارند، در نتیجه شبکه‌بندی‌شان با جهت فشرده‌ی سطح نقره (111) نسبتا مطابق است (شکل 3هـ، ی).

 

سنتز آزمایشی و ویژگی‌های اندازه‌گیری شده

تا سال 2015، نه‌تنها زیرلایه‌های فلزی خاص برای رشد بروفن، بلکه شبکه‌بندی که بایستی صورت دهد نیز به صورت نظری پیش‌بینی شده بود. شواهد آزمایشگاهی برای سنتز بروفن را مانیکس و همکارانش و فِنگ و همکارانش در دو پژوهش مستقل ارائه کردند، هردوی این پژوهش‌ها فرآیند رشد را در شرایط خلاء فوق بالا انجام دادند تا از تخریب صفحات بروفن به واسطۀ آلودگی جلوگیری شود. از نقره‌ی تمیز به‌عنوان زیرلایه‌ی رشد استفاده شد و بور به‌وسیله‌ی‌ی تبخیر پرتوی کاتدی از منبع عنصری کاملا خالص و با دوز بسیار کنترل شده لایه‌نشانی شد. هردو پژوهش در تصاویر STM گرفته شده پس از لایه نشانی بور در دمای زیرلایه‌ی بالاتر از K 500 شاهد ظهور ویژگی‌های جزیره‌ای بودند (شکل 4الف، ب). این تصاویر جزیره‌ای سه نوع خصوصیت بروز دادند: کنتراست الکترونی یکنواخت (فلش‌ قرمز) ، کنتراست الکترونی خط خط (فلش‌ سفید) و نانوروبان (فلش‌ آبی).

در این پژوهش‌ها دو پلی‌مورف ساختاری از بروفن در STM مشاهده شد: شبکه‌ی مستطیلی که اغلب با اتصال بخش‌های خط خط پدیدار می‌شد (شکل 4ج) و شبکه‌بندی لوزی‌گون[6] (شکل 4د). جالب توجه است که هر دو ساختار ناهمسانگرد هستند و از یک ‌بعد با ساختاری زنجیری شکل با تناوب تقریبا 0.3 نانومتر در راستای زنجیر تشکیل شده است. تناسب هر ساختار با شرایط رشد تعیین می‌شود. مانیکس و همکارانش مشاهده­کردند که فاز لوزی‌گون در دمای پایین‌تر رشد می‌کند (تقریبا K 870-720)، درحالیکه شبکه‌بندی مستطیلی با شکل خطی در دماهای بالاتر (تقریبا K 970-770) با روزنه‌ی قابل توجهی از همپوشانی میان فازها موفق‌تر بود. در نانوروبان‌های شبکه‌بندی خطی/مستطیلیِ مشاهده شده در نرخ رشدهای پایین، نرخ لایه نشانی بور نیز نقشی کلیدی ایفا کرد. فنگ و همکارانش در اثبات اهمیت نرخ رشد، گزارش کردند که فاز مستطیلی در دمای پایین‌تر (تقریبا K570) و فاز لوزی‌گون در دماهای بالاتر (بیش از تقریبا K 680) بیشتر بود.

مقایسه با تصاویر STM شبیه‌سازی شده (شکل4هـ، ی) نشان می‌دهد که شبکه‌بندی‌های مستطیلی و لوزی‌گون به‌ترتیب شامل مدل‌های v1/5 و v1/6 هستند (در شکل 3ی، و نشان داده شده است). مشاهده‌ی شکل‌های خطی متعاقبا مربوط به حرکات موجی قلاب قلاب زیر بروفن به‌وسیله‌ی‌ی نوسازی زیرلایه‌ها است. این ویژگی‌ها محاسبه می‌شوند تا انرژی‌ کلی سیستم با افزایش تعداد جایگاه‌های جذب سطحی مطلوب ترمودینامیکی HHs در تماس با اتم‌های نقره کاهش داده شود، اما نیازمند به برطرف کردن مانع مهم فعال‌سازی دمایی است که با مشاهده‌ی آن‌ها تنها در بالاترین دمای رشد نامتناقض است. متعاقبا نشان داده شد که از لایه نشانی بروفن روی نقره (110) ، نانوروبان‌هایی با عرض تقریبا 10 نانومتر (شکل 4 ژ) با ساختار اتمی مشابه با آن‌ در نقره‌ (111) حاصل می‌شود.

از نظر آزمایشگاهی، با اینکه چندین رفتار بروفن اندازه‌گیری شده، اما ویژگی‌های فیزیکی آن حوزه‌ی فعال پژوهشی باقی‌مانده است. برای مثال، با استفاده از اسپکتروسکوپی تونلی و اسپکتروسکوپی نشر نوری مشخص شد بروفن خصوصیت الکترونی فلزی دارد. این اندازه‌گیری‌ها با بسیاری از پیش‌بینی‌های نظری برای صفحات بروفن که چگالی محدود حالت‌ها در سطح فِرمی را پیش‌بینی می‌کند، مطابق هستند، و نشان می‌دهد که بروفن سبک‌ترین فلز است. به‌علاوه اسپکتروسکوپی الکترون نوری شواهدی از فرمیون دیراک در بروفن نشان می‌دهد. درحالیکه محاسبه‌ی ساختار باندی بروفن نشان می‌دهد که مخروط‌های دیراک حدودا دو الکترون ولت بالاتر از سطح فِرمی قرار دارد، انرژی مخروط دیراک در مشاهدات آزمایشگاهی تقریبا 0.25 الکترون ولت پایین‌تر سطح فِرمی بوده و با پیش‌بینی‌های نظری تفاوت قابل ملاحظه‌ای دارد. این تفاوت آشکار میان محاسبات تجربی و نظری نیازمند بررسی‌های بیشتر است. از نظر شیمیایی، مشاهده شده زمانیکه بروفن در معرض هوا قرار می‌گیرد اکسید می‌شود، اما اکسایش در شرایط خلاء بسیار بالا سرکوب می‌شود. ماهیت این تخریب نامشخص است و امکان دارد مانند آنچه در فیلم‌های نازک بور اتفاق می‌افتد، اکسایش با دیگر گونه‌های اتمسفری (مانند H2O) تسریع شود. جالب توجه است که این واکنش‌پذیری شیمیایی به مولکول کوچک (PTCDA) [7] گسترش پیدا نمی‌کند. در عوض، مولکول‌های PTCDA تبخیر شده ترجیحا به تراس‌های نقره‌ی (111) بدون پوشش جذب می‌شوند و با جزیره‌های بروفن هتروساختارهای افقی و آنی به‌لحاظ ساختاری و الکترونیکی تشکیل می‌دهند.

 

مسیرها و چشم‌اندازهای پژوهش‌های آینده

برخلاف تعداد درحال رشد پیش‌بینی‌های نظری مربوط به اثرات کاهش بُعد و ناهمسانگردی بر فلزینگی و قدرت مکانیکی، بسیاری از ویژگی‌های اساسی بروفن هنوز اندازه‌گیری نشده است. به‌علاوه پیش‌بینی می‌شود بروفن، به‌عنوان فلز دوبعدی نازک به لحاظ اتمی، در میان بهترین کاندیداها برای کاربردهای الکترودهای شفاف نوری باشد. پیش‌بینی شده که این فلزینگی درونی بروفن، ابررسانایی مبتنی بر فونون سنتی را، به‌ویژه باتوجه به پیوند الکترون-فونون حاصل از جرم کم بور بالا می‌برد. محاسبات، دمای بحرانی ابررسانایی بروفن را بسته به تراکم HH، در گستره‌ی 10 تا 20 کلوین قرار می‌دهد. این انتظارات در راستای ابررسانایی در دمای نسبتا بالاست که در MgB2 با دمای بحرانی 39 کلوین مشاهده شده است.

با توجه به ماهیت منحصربفرد پیوندهای بور-بور، بروفن نویدبخش ویژگی‌های مکانیکی عالی، از جمله بالاترین مقاومت صفحه‌ای و استحکامی قابل مقایسه با گرافن است. به‌ویژه فاز v 1/6 بروفن، با مدول یانگ بالا و پتانسیل بیشتر برای کشسانی مکانیکی استثنایی، در زمان ترکیب حرکت موجی منحصربه‌فرد فاز خطی قلاب شده، در میان ردیف‌های HH هم‌تراز، سختی خمش پایین استثنایی دارد (تقریبا یک چهارم گرافن). به‌علاوه، به جای شکستن مستقیم همچون مواد دوبعدی دیگر، پیش‌بینی می‌شود با اعمال تنش در بروفن، تبدیل ساختار فازی رخ می‌دهد، و باعث سختی مکانیکی بالای آن می‌شود. سفتی همراه با وزن اتمی سبک به سرعت بالای فونون می‌انجامد و نشان دهنده‌ی انتقال حرارت کارامد است که حتی با هم‌بخشی الکترونی بیشتر نیز می‌شود. تمام این ویژگی‌ها تا به اینجا با ناهمسانگردی و پلی‌مورفیزم در سنتز بروفن پدید آمده و کنترل شده است. بنابراین، می‌توان این ویژگی‌ها را با اعمال زیرلایه‌های رشد متفاوت که ساختار نهایی را اصلاح می‌کنند کنترل کرد.

درک و کنترل این ویژگی‌ها نیاز به پیشرفت در کیفیت سنتز بروفن دارد. به‌طور خاص برای مطالعه‌ی این ویژگی‌ها در شرایط طبیعی (یعنی بدون اثرات محدود سطحی) ، خوب است اندازه‌ی دانه‌ی بروفن را افزایش و چگالی عیوب و نابه‌جایی را کاهش دهیم. برای مثال، استفاده‌ی بیشتر از سطح ناهمسانگرد نسبت به نقره‌ (111) ، ممکن است اندازه‌ی دانه را از طریق انعقاد ردیفی افزایش دهد و اثرات زیان‌آور بالقوه میان جزیره‌های ناهمسانگرد را کاهش دهد. رشد CVD (شکل 5الف) نیز می‌تواند علاوه‌بر افزایش توسعه‌پذیر سنتز بروفن برای کاربردهای بالقوه، اندازه‌ی سطحی لایه جزیره‌های بروفن را همان‌طور که در گرافن مشاهده شده بهبود دهد. هرچند برای توسعه‌ی فرآیند CVD بروفن به‌شناسایی پیش‌ماده‌ی کاربردی بور و زیرلایه‌ی فعال کاتالیستی به‌منظور کنترل تجزیه‌ی پیش‌ماده و هسته‌زایی و رشد دوبعدی پس از آن نیاز داریم. دیگر هدف مهم سنتز،‌شناسایی زیرلایه‌های رشد غیرفلزی است که بسیاری از اندازه‌گیری‌های خواص بروفن از جمله مشخصه‌ی انتقال بار سطحی را آسان می‌کند. درک بیشتر ماهیت پلی‌مورفیسم سنتز بروفن می‌تواند به کنترل قطعی بر سوپرساختارهای خلاء بیانجامد که ویژگی‌های موردنظر را بهینه می‌کند (برای مثال رسانایی الکترونی محوری بالا با سختی خمش کم یا خواص یکنواخت یک‌جهته به‌وسیله‌ی‌ی زیرلایه‌ با شبکه‌بندی منطبق از لحاظ ناهمسانگردی). به‌علاوه سازوکار تشکیل نانوروبان‌های بروفنی و خواص مواد حاصل این نانوروبان‌ها تاکنون با جزئیات مورد مطالعه قرار نگرفته‌اند.

انتقال بروفن از زیرلایه‌ی نقره (شکل 5ب) به زیرلایه‌ی عایق الکتریکی گام مهمی برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی و بدین گونه اندازه‌گیری قطعی ویژگی‌های الکترونیکی بروفن است. از لحاظ انرژی، این انتقال آسان است چراکه انرژی چسبندگی بروفن به نقره (111) برابر است با γ ≈ 0.04 eV Å–2 که با مقدار eV Å–20.02 برای گرافن به مس (111) قابل مقایسه است. با ترکیب این انرژی چسبندگی و سختی خمش کم بروفن D ≈ 0.4 eV، شعاع انحنا در جداسازی می‌تواند به مقدار r ≈ (D/γ) 1/2 ≈ 4 Å تخمین زده شود که شماتیک آن در شکل 5ج نشان داده شده است. هرچند، مانع اصلی برای تحقق فرآیند انتقال غیر اغتشاشی، واکنش‌پذیری شیمیایی بروفن است که آلودگی قابل توجه و یا چالش‌های تخریب در انتقال مبتنی بر انحلال معمولی ایجاد می‌کند. یک راه‌حل ممکن تکرار کپسول‌سازی و روش انتقالی است که در ساخت سیلیسین اعمال شده است. پیشرفت‌های اخیر در فشرده‌سازی مبتنی بر خلاء مواد دوبعدی سنتی می‌تواند برای کپسول‌سازی بروفن و انتقال آن از زیرلایه‌ی رشد بدون تماس با آب و هوا اعمال شود. رفتار برگشت‌پذیر جانشینی و بین نشینی گونه‌های شیمیایی می‌تواند با افزایش میل ترکیبی نقره، به این فرایند انتقال کمک کند و درعین‌حال واکنش‌پذیری کمی با بروفن داشته باشند. چشم‌انداز پیشتر ذکر شده در زمینه‌ی رشد روی زیرلایه‌ی عایق که ویژگی‌های بروفن را می‌توان بدون دخالت مطالعه و استفاده کرد، می‌تواند نیاز به طرح انتقال را رفع کند. با این‌حال مسیر دیگری نیز می‌تواند با غیرفعال‌سازی بروفن از طریق عامل‌دار کردن شیمیایی ارائه شود. با اینکه ممکن است اصلاح سطح کووالانسی ویژگی‌های بروفن را تغییر دهد، این تغییرات می‌توانند سودمند باشند. برای مثال، اصلاح کووالانسی فسفرین پایداری شیمیایی را بهبود می‌بخشد، درعین‌حال ویژگی‌های الکترونیکی را با دوپینگ مبتنی بر جذب و القا بالا می‌برد. واکنش‌پذیری مشاهده شده در بروفن نشان می‌دهد که بروفن نسبت به گرافن به چنین اصلاحات کووالانسی متمایل‌تر است، بنابراین ممکن است فرصت‌های بیشتری برای اصلاح ویژگی فراهم کند.

انتظار می‌رود ویژگی‌های منحصربفرد فلزی بروفن زمانیکه با دیگر مواد دوبعدی ترکیب می‌شود و به‌صورت هتروساختار در می‌آیند، بسیار سودمند باشد. برای مثال هتروساختارهایی که به‌صورت جانبی اتصال پیدا کرده‌اند، می‌توانند استریپ‌های باریک بروفن را به‌عنوان مسیرهایی با رسانایی بسیار بالا در صفحه‌ی عایق شش‌ضلعی متفاوت نیترید بور (hBN) ، شبیه به مفاهیم تصور شده برای شدت جریان الکتریکی گرافن اما با رسانایی بالاتر، یکی کند. در عمل ممکن است این مفهوم به‌خاطر عرض بحرانی باریک که برای تولید رسانایی فلزی در زنجیره‌ی تک‌ بعدی بور ضروری است، از طریق مرزهای دانه‌ای بسیار غنی از بور در hBN تحقق پیدا کند. از هتروساختارهای عمودی شامل بروفن (شکل 5د) نیز انتظار می‌رود فواید بسیاری داشته باشند. به‌عنوان مثال اتصالات دو بعدی فلزی نیمه‌رسانا کاربری‌های وسیعی، از جمله دایودهای شاتکی نازک در حد اتم و ترانزیستورهای تونل‌زنی را ممکن می‌سازد. علاوه‌براین، ویژگی‌های پلاسمونی پیش‌بینی شده برای بروفن می‌توانند بدون بهم زدن نظم فشرده ‌شده‌ در حد اتم را در هتروساختارهای واندروالسی عمودی، وسیله‌ای برای هدایت تعاملات نورــ‌ ماده فراهم کنند. به‌عنوان مزیت بیشتر، ساندویچ کردن بروفن بین لایه‌ها (مثلا hBN عایق) می‌تواند از بروفن در تماس با هوا محفاظت کند و هم‌زمان ویژگی‌های ذاتی آن را نیز حفظ کند، بنابراین ساخت سیستم‌های بروفن با کارایی بالا را تسهیل می‌کند.

در این مراحل آغازین، بروفن در چندین کاربرد متفاوت، از خود قابلیت‌های بالقوه نشان داده است. با پیوند بیشتر انعطاف‌پذیری خمشی و کشسانی مکانیکی بروفن با الاستیسیته‌ی صفحه‌ای عالی و فلزینگی ذاتی، بروفن می‌تواند انتخاب ایده‌آلی برای اتصالات، الکترودها و نمایشگرهای الکترونیکی شفاف و انعطاف‌پذیر باشد. مشخصه‌یابی بیشتر بروفن به‌ احتمال زیاد از فرصت‌های بیشتری برای پیشرفت فناوری پرده برمی‌دارد، ویژگی‌هایی از جمله ابررسانایی نیز می‌توانند درون هتروساختارهای لایه لایه مشاهده شوند تا دستگاهی منحصربفرد شامل تمام جانکشن‌های جوزفسون یا دستگاه‌ ابررسانای تداخل کوانتومی (شکل 5هـ) را تشکیل دهند. به‌طور مشابه ویژگی‌های پلاسمونی بروفن را می‌توان با ترکیب در هتروساختارهای لایه‌ای عمودی کنترل کرد. تعدادی از پیش‌بینی‌های اخیر نشان داده‌اند که بروفن برای ذخیره‌ی هیدروژن و کاربری باتری ماده‌ای موثر است، اما این فناوری‌ها نیاز به افزایش چشم‌گیر حجم سنتز بروفن دارد.

درحالیکه بروفن نشان داده است که تأثیر بلند مدتی بر علم بنیادی و فناوری کاربردی دارد، به‌طورکلی در زمینه‌ی طراحی مواد حائز اهمیت است. حلقه‌ی بازخوردی میان یافته‌های تئوری و آزمایشگاهی به‌طور گسترده‌ کلیدی برای تسریع کشف و استفاده از مواد جدید با ویژگی‌های موردنظر به ‌حساب می‌آید. این حقیقت که سنتز آزمایشگاهی بروفن طرح نظری پیشین را دنبال می‌کند، قدرت پیشگویی علم مدرن محاسباتی مواد را تصدیق می‌کند و نشان می‌دهد که کشف‌های آزمایشگاهی بعد از این را می‌توان با پیش‌بینی‌های نظری پایه‌ریزی کرد. برای مثال بسیاری از چالش‌های ذکرشده برای پژوهش بروفن در آینده (مثلا زیرلایه‌ی رشد جایگزین، عامل‌دار کردن شیمیایی و روش‌های انتقال) می‌توانند با توسعه‌ی مدل‌های نظری موفقی بررسی شوند که الهام‌بخش تحقق اولیه‌ی آزمایشگاهی بروفن بوده‌اند. به‌طور گسترده‌تر، دیدگاه‌ها و درس‌هایی که از بروفن گرفته شده، مسیرهایی برای طراحی قاطع دیگر مواد دو بعدی سنتز شده را نشان می‌دهد، از این رو فضای فاز ساختاری را به‌طور اساسی توسعه می‌دهد و بنابراین ویژگی‌ها و کاربردهای بالقوه‌ مواد به نازکی اتم را گسترش می‌دهد. در واقع قدرت چنین رویکردهای پربازده‌ای به سوی کشف مواد، اخیرا برای مواد دوبعدی ورقه ورقه توصیف شده‌اند، و این رویکرد به‌ احتمال زیاد زمانیکه برای غربال کردن فضای فازی در فرآیندهای زمان‌بر سنتز مواد اعمال می‌شود، قابلیت‌های موردتوجهی از خود نشان خواهد داد.

تحقق آزمایشگاهی پلی‌مورف‌های سنتز شده‌ی بور فرصت‌های جدیدی فراهم می‌کند. روشن است توانایی اصلاح ویژگی‌های فلزات نازک در حد اتم با اصلاح ناهمسانگردی ساختاری و ابرساختارهای پلی‌مورف توخالی نویدبخش پیشرفت‌های بنیادین و فناوری است. علاوه‌براین، پیشرفت‌های آزمایشگاهی بر اساس بنیاد نظری با قدرت تبدیلِ قابل‌توجه هستند. سازش بزرگ میان نظریه‌ی پیشین و مشاهدات آزمایشگاهی بروفن به آینده‌ای اشاره می‌کند که نظریه‌، آزمایش را به سوی سنتز موادی با ویژگی‌های بهینه یا رفتارهای منحصربفرد هدایت می‌کند. از آنجاییکه توانایی‌ها مبنی بر ترکیب مواد به نازکی اتم برای تولید ساختارهای پیچیده به‌طور روز افزون رضایت‌بخش است، این مجموعه ابزار قابلیت مهندسی موادِ در حد اتم با ویژگی‌های متفاوت از مواد توده‌ای طبیعی را افزایش می‌دهد.

 

منبع

Mannix, A. J, Zhang, Z, Guisinger, N. P, Yakobson, B. I, Hersam, M. C, “Borophene as a prototype for synthetic 2D materials development”, Nature Nanotechnology, 13 (6), (2018), 444–450.