Московские исследователи описали двумерную структуру оксинитрида бора (BNO), перспективного в создании нано- и оптоэлектронных устройств. Авторы опровергли популярное мнение о том, что при получении этого материала окислением нитрида бора исходная кристаллическая решетка не изменяется. Оказалось, что она становится иной, равно как и свойства материала. Исследование, поддержанное грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), поможет расширить сферы применения двумерных наноматериалов, а также создать совершенно новые приборы на их основе. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics, где были отмечены редакцией и вошли в тематическую подборку 2021 PCCP HOT Articles.
Гексагональный нитрид бора по структуре похож на графен, то есть представляет собой лист из сетки с шестиугольными ячейками. Его окисленная форма оксинитрид бора (BNO) очень перспективна как слабо проводящий ток компонент различных электронных устройств. Считалось, что при синтезе BNO исходная кристаллическая структура листа не изменяется, но появляются свидетельства, что это может быть совсем не так.
“Любые свойства материала связаны с особенностями его структуры. Однако до сих пор было неясно, как изменяется атомное строение h-BN после окисления. Этот факт сподвигнул нас сконцентрироваться на изучении кристаллической структуры оксинитрида бора. Мы начали исследование с применения эволюционного алгоритма USPEX, который позволяет предсказывать строение материала, исходя из знания только лишь его химического состава”, — рассказывает Дмитрий Квашнин, руководитель проекта РНФ, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН.
Сотрудники Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) использовали метод USPEX, чтобы понять, какие именно двумерные структуры могут получиться при сочетании атомов бора, азота и кислорода.
“Эволюционный алгоритм на этапе проведения первоначального скрининга дал нам большой массив новых кристаллических структур. Далее полученные структуры изучались более детально с помощью приближений теории функционала электронной плотности”, — поясняет Захар Попов, соавтор работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН.
На основании расчетов авторы сделали вывод, что при добавлении в нитрид бора атомов кислорода структура становится более рыхлой и содержит больше дефектов. Это обусловлено тем, как кислород располагается в решетке. Теория о том, что он заменяет часть атомов, не нашла доказательств, но оказалось, что ему энергетически выгоднее сформировать эпоксидный мостик между двумя другими атомами. В результате в структуре образуются нерегулярные “дыры”. Впрочем, такое изменение могло бы способствовать появлению новых пьезоэлектрических свойств, то есть усилению электрических импульсов при механическом воздействии.
“Ранние работы по исследованию структуры BNO были основаны на концепции того, что атомы кислорода внедряются в решетку гексагонального нитрида бора в позиции замещения атомов азота, при этом не меняя ее. Нам удалось показать, что кристаллическая структура BNO намного сложнее. Результаты исследования приближают возможность реального применения оксинитрида бора на практике, в частности, для дальнейшего использования в нано-, опто- и электромеханических устройствах”, — заключил Дмитрий Квашнин.