Статья была опубликована в Nanoscale (2022).
Поверхность всегда представляла особый интерес из-за широкой вариабельности ее структуры и наличия необычных свойств. С другой стороны, "поверхность поверхности" - край наноструктуры может оказаться не менее важным и привнести новые явления. Точное формирование краев на двумерных материалах при определенной кристаллографической ориентации является сложной задачей и требует точных знаний о их химических свойствах. В некоторых случаях край демонстрирует очень специфическую структуру. Например, края многослойного графена имеют тенденцию соединяться друг с другом. Случай двухслойного графена был подробно исследован, и было показано, что соединение краев даже не требует преодоления какого-либо барьера, и поэтому спонтанно образуется полая sp2-гибридизированная графеновая структура. В нашей предыдущей работе было показано, что структура замкнутых краёв биграфена на самом деле строго определена и может быть представлена как изогнутая граница раздела между разориентированными (в общем случае) графеновых зёрен.
Понимание структуры края важно и для случая образования отверстий в двумерной структуре, поскольку это привлекательный объект для изменения свойств материала. Для однослойного графена было проведено множество исследований по изучению отверстий для секвенирования ДНК, зондирования газов, фильтрации ионов и молекул (в частности, опреснения воды), молекулярного транспорта и др. Несколько аналогичных исследований также было проведено с гексагональным нитридом бора (h-BN) и дисульфидом молибдена (MoS2). Разнообразие форм отверстий и типов пассивации их краев не позволяет проводить систематические экспериментальные исследования. Обычно исследования сосредоточены на тестах производительности без информации о конфигурации кромок и химической стабильности, которые могут существенно повлиять на производительность.
Двойник углерода, нитрид бора, менее изучен в этом отношении, хотя представляется перспективным создание дырок не в биграфене, а именно в двухслойном h-BN. Действительно, сильная тенденция слоев к упаковке AA' позволяет быть уверенным в том, что двухслойная структура будет заранее предопределена. Однако остается совершенно неясным, какие края многослойного h-BN будут иметь тенденцию к закрытию и какова будет окончательная структура. Структура краев многослойного h-BN обычно неизвестна, тогда как из общей логики можно ожидать аналогичного эффекта самопассивации из-за близких значений изгибной жесткости и краевой энергии.
Представленная работа посвящена исследованию краев двухслойных h-BN. Показано, что края имеют тенденцию к соединению независимо от среза. Бездефектного соединения можно ожидать только в случае зигзагообразного края, в других случаях образуется ряд тетрагональных и октагональных дефектов. Этот результат был получен при проведении аналогии между краем двухслойного h-BN и границей раздела монослойного h-BN (см. рисунок). Информация о структуре и энергетике замкнутых краев позволила предсказать форму отверстий в h-BN, которая согласуется с экспериментальными данными. Наконец, показано, что закрытые края не создают состояний в запрещённой зоне, тем самым не изменяя диэлектричность h-BN.
а) Вид сверху двухслойного h-BN с замкнутым краем. θ - наклон границы относительно направления "кресло". б) Схема иллюстрирует, как двухслойный h-BN с замкнутым краем может быть развернут в плоскую структуру. в) Плоский слой h-BN с межзёренной границей, полученный из двухслойного h-BN с замкнутым краем из (a).
Comments