Новая форма бора проводит ток и выдерживает деформацию
Кристалл Imma-B60 оказался в десять миллионов раз проводимее обычного β-бора и выдержал сжатие без хрупкого разрушения.
Бор известен как лёгкий элемент, образующий твёрдые и обычно хрупкие кристаллы. Его чистые кристаллические формы, как правило, плохо проводят электричество. Группа исследователей под руководством Сян-Фэна Чжоу из Яньшаньского университета получила другое расположение атомов бора — Imma-B60. Оно оказалось гораздо более проводящим, а при механической нагрузке способным к пластической деформации.
Всё дело в устройстве кристалла. Подобно тому как алмаз и графит состоят из углерода, но имеют разные свойства, бор может образовывать несколько аллотропных форм. В Imma-B60 группы из 12 атомов бора соединены треугольниками из трёх атомов. Между ними остаются открытые участки решётки, которых нет в привычной плотной структуре. Именно такая архитектура изменила поведение вещества.
Получить её напрямую непросто: бор охотно образует соединения с другими элементами. Поэтому учёные сначала под высоким давлением создали промежуточный кристалл Na4B60, содержащий бор и натрий. Затем нагревали его при 900 °C в глубоком вакууме в течение 48 часов. Натрий почти полностью вышел из решётки, а борный каркас сохранился. В результате химический состав приблизился к чистому бору, но структура осталась такой, какую удалось собрать благодаря временному присутствию натрия.
Измеренная электропроводность нового материала составила около 900 сименсов на метр. Это на семь порядков, то есть примерно в десять миллионов раз, больше показателя β-бора. Исследователи также определили узкую запрещённую зону — менее 0,2 электронвольта. Речь не о новом сверхпроводнике и не о замене медной проводки, а о резком изменении электрических свойств одного элемента за счёт перестройки атомной решётки.
Не менее интересным оказался опыт с нагрузкой. Из кристаллов изготовили столбики нанометрового масштаба и сжимали их в одном направлении. Образцы продемонстрировали около 23% пластической деформации: структура меняла форму, прежде чем разрушиться. Внутри кристалла смещались дислокации — нарушения порядка атомов, движение которых позволяет материалу деформироваться без мгновенного растрескивания.
Пластичность здесь не означает, что вещество растягивается как резина и затем возвращается назад. Изменение формы остаётся после снятия нагрузки. Кроме того, показатель 23% относится к испытанию миниатюрных столбиков на сжатие. Поведение массивной детали из Imma-B60 при изгибе или многократной нагрузке ещё предстоит изучить.
Исследователи подтвердили устройство новой фазы несколькими методами, включая рентгеновскую дифракцию и электронную микроскопию. Сопоставление экспериментальных данных с расчётами позволило связать проводимость и характер деформации с открытой решёткой. Работа прошла рецензирование и опубликована в Nature Chemistry.
До появления Imma-B60 создание новых кристаллических разновидностей чистого бора оставалось сложной задачей. Одна из известных фаз, γ-B28, была описана в 2009 году при участии материаловеда Артёма Оганова. В комментарии Nature он отметил значение нового пути синтеза: использование временного компонента может дать доступ не только к одному кристаллу, но и к целому семейству ранее недоступных структур.
Для материаловедения это особенно важно. Если научиться получать прочные и одновременно поддающиеся деформации проводящие кристаллы, появятся новые варианты для электронных и механических компонентов. Пока, однако, речь идёт о лабораторных образцах. Синтез требует высокого давления, а последующее удаление натрия — длительного нагрева в вакууме. Масштабирование процесса, долговечность материала и его свойства в готовых устройствах ещё не продемонстрированы.
В этом опыте состав вещества изменился совсем незначительно, а свойства — радикально. Учёные показали, что для бора решающее значение может иметь не добавление нового элемента, а способ расположить его собственные атомы и сохранить полученную структуру после удаления вспомогательного натрия.
Фото: редакция ИЗНАНКИ.
