Російські вчені розшифрували кристалічну структуру оксинітриду бору (bno) — матеріалу з контрольованими електронними і оптичними властивостями. Раніше вважалося, що, якщо замінити частину азоту в нітриді бору на кисень, то будова решітки не зміниться. Однак російські вчені вивчили цей матеріал методами комп’ютерного моделювання і з’ясували: кристалічна структура стає іншою, при цьому змінюються і властивості матеріалу. Дослідження, підтримане грантом президентської програми російського наукового фонду (рнф), дозволить розширити області потенційного застосування двовимірних наноматеріалів, а також створити абсолютно нові прилади на їх основі. Результати роботи опубліковані в журналі physical chemistry chemical physics, де були відзначені редакцією і увійшли в тематичну добірку 2021 pccp hot articles.
Оксинітрид бору (bno) — перспективний матеріал, який поєднує в собі початкову структуру (атомну та електронну) гексагонального нітриду бору з низькою електропровідністю. Проте недавні дослідження показали, що введення кисню може змінювати кристалічну решітку нітриду бору.
» будь-які властивості матеріалу пов’язані з особливостями його структури. Однак до цих пір було неясно, як змінюється атомна будова h-bn після окислення. Цей факт спонукав нас сконцентруватися на вивченні кристалічної структури оксинітриду бору. Ми почали дослідження з застосування еволюційного алгоритму uspex, який дозволяє передбачати будову матеріалу, виходячи зі знання тільки лише його хімічного складу», — розповідає дмитро квашнін, керівник проекту рнф, доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник інституту біохімічної фізики ім. Н. М. Емануеля ран.
Досліджуючи можливість утворення двовимірних структур b — n-o при додаванні кисню до складу нітриду бору, вчені з інституту біохімічної фізики ім. Н. М. Емануеля ран( москва), сколковського інституту науки і технологій (москва) і московського фізико-технічного інституту (москва) застосували еволюційний пошук змінного складу, реалізований в методі uspex.
» еволюційний алгоритм на етапі проведення початкового скринінгу дав нам великий масив нових кристалічних структур. Далі отримані структури вивчалися більш детально за допомогою наближень теорії функціоналу електронної щільності», — пояснює захар попов, співавтор роботи, кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник ібхф ран.
Розрахунки показали, що в результаті додавання в нітрид бору кисню утворюються специфічні двовимірні структури. Вони більш дефектні і менш щільні, і в результаті значення пружних постійних було нижче, ніж у вихідної речовини. Цей факт вчені пояснюють особливостями положення атомів кисню. При певній концентрації для них виявляється енергетично більш вигідним утворити епоксидний місток між двома іншими атомами в матеріалі і порушити структуру решітки, ніж замістити їх.
Це також призвело до появи локальних дипольних моментів, які можуть надати структурі незвичайні п’єзоелектричні властивості — іншими словами, зростає ймовірність виникнення і посилення електричних імпульсів при механічному впливі.
» ранні роботи з дослідження структури bno були засновані на концепції того, що атоми кисню впроваджуються в решітку гексагонального нітриду бору в позиції заміщення атомів азоту, при цьому не змінюючи її. Нам вдалося показати, що кристалічна структура bno набагато складніша. Результати дослідження наближають можливість реального застосування оксинітриду бору на практиці, зокрема, для подальшого використання в нано-, опто — і електромеханічних пристроях», — уклав дмитро квашнін.
Картинка 1. Розшифрована атомна структура оксинітриду бору (bno), синтезованого в 2017 році (елементарна комірка двовимірного матеріалу представлена зліва). Незвичайна атомна структура призводить до зміщення області поглинання в область ближнього ультрафіолету в порівнянні з чистим h-bn (спектр поглинання праворуч). Джерело: надана авторами статті.
