Lagen van kristallijne nanobladen maken afstembare elektronische eigenschappen mogelijk

Borium is een veelzijdig niet-metalen element, maar tot de laatste vijf jaar hebben chemici alleen getheoretiseerd over de nuttige eigenschappen en toepassingen van tweedimensionale (2D) boorhoudende materialen. Een groep onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Tsukuba heeft de theorie nu tot leven gebracht door de eerste 2D-nanoplaten van boormonosulfide (BS) te maken die laag voor laag kunnen worden gehanteerd om hun elektronische eigenschappen te controleren.

De inherent grote oppervlakten en diverse elektronische toestanden van 2D-materialen maken ze goede kandidaten voor toepassingen in batterijen en andere apparaten. Bovendien kan het combineren van 2D-bouwstenen in nieuwe materialen zorgen voor meer controle over hun functionaliteiten. Eerdere computationele studies hadden gesuggereerd dat BS verschillende stabiele 2D-structuren met unieke eigenschappen zou kunnen aannemen. Daarom fabriceerden de onderzoekers een 1:1-boor:sulfide-bulkmateriaal, dat een rhomboëdrische (een driedimensionale ruit) kristalstructuur (r-BS) had en vervolgens individuele nanolagen (2D BS) weghaalde, die de oorspronkelijke materiaaleigenschappen behielden. kristallijne opstelling.

"Onze analyse bevestigde wat onze eigen berekeningen hadden voorspeld", zegt onderzoeksgroepleider professor Takahiro Kondo. "Dat wil zeggen, BS-nanobladen hadden een andere bandgap-energie dan het bulkmateriaal, en belangrijker nog, de bandgap kon worden afgestemd op basis van het aantal gestapelde 2D BS-bladen."

Het vermogen om een ​​elektrische stroom te geleiden is gerelateerd aan de bandgap-energie van een materiaal, dus het is daarom een ​​belangrijke eigenschap die verband houdt met mogelijke toepassingen van elektronische apparaten. De onderzoekers ontdekten dat de bandgap-energie van een enkele BS-nanosheet relatief groot was, maar deze nam achtereenvolgens af naarmate ze een of twee extra nanosheetlagen toevoegden. De bandgap-energie van de stapel bereikte uiteindelijk het niveau van de bulk-r-BS nadat ongeveer vijf vellen waren geassembleerd.

"Deze functie en de licht-effectieve elektronenmassa van de BS-nanobladen gaven aan dat ze mogelijk zouden kunnen dienen als n-type halfgeleidermaterialen met een hoge geleidbaarheid," zei Kondo, "wat ze uniek maakt onder andere bekende 2D-boriumhoudende materialen die niet bandhiaten hebben."

Vanwege hun verschillende bandgap-structuren reageerden elektroden die r-BS of 2D BS bevatten op verschillende golflengten van licht. De r-BS vereiste bestraling met lagere energie (zichtbaar licht) om een ​​stroom te geleiden en fotokatalytisch gedrag te vertonen, terwijl de grotere bandgap van de 2D BS alleen actief was onder ultraviolet licht met hogere energie.

Borium is inderdaad verre van saai! Deze door licht geïnduceerde verschijnselen benadrukten het feit dat 2D-boriummonosulfidematerialen kunnen worden toegepast in fotokatalytische of elektronische apparaten, en belangrijker nog, hun eigenschappen kunnen naar behoefte worden aangepast door het aantal nanosheets te regelen.