ИССЛЕДОВАНИЯ
Носимое устройство, использующее оксинитрид бора.
Новые перспективы оксинитрида бора Российские ученые расшифровали 2d-структуру оксинитрида бора Анастасия Помешкина
Р
оссийские ученые расшифровали кристаллическую структуру оксинитрида бора (BNO) — материала с контролируемыми электронными и оптическими свойствами. Ранее считалось, что атомы кислорода встраиваются в решетку h-BN без изменения ее строения. Ученые изучили материал с помощью современных вычислительных методов моделирования и показали, что кристаллическая структура сильно изменяется, а вместе с ней меняются и свойства материала. Полу ченные результаты позволят расширить области потенциа льного применени я дву мерны х наноматериалов, а также создать совершенно новые приборы на их основе. Результаты работы опубликованы в журнале Physical Chemistry Chemical Physics (Phys. Chem. Chem. Phys., 2021,23, 26178-26184). 44
Область наноматериаловедения находится на стадии интенсивного развития. Для увеличения эффективности новых устройств необходимо переходить к низкоразмерным наноматериалам, однако массовое их получение требует постоянного развития фундаментальных знаний и приборной базы. Важной задачей современного материаловедения является поиск возможности управления свойствами новых материалов для достижения желаемых характеристик. Так, в 2017 году было опубликовано первое сообщение о контролируемом создании материала на основе частично окисленного нитрида бора. Эксперимент был выполнен в Национальном институте материаловедения (NIMS, г. Цукуба, Япония) (https://doi. org/10.1002/adma.201700695). Материал изготавливается посредством постепенного добавления кислорода в структуру двумерного нитрида
бора. До сих пор контролируемо менять ширину запрещенной зоны удавалось, лишь внедряя в нитрид бора атомы углерода, однако этот метод оказался очень сложным и дорогостоящим. Метод частично окисления оказался намного более простым и дешевым. Оксинитрид бора (BNO) — перспективный материал, который совмещает в себе начальную структуру (атомную и электронную) гексагонального нитрида бора с низкой электропроводностью. Однако до сих пор было неясно, как изменяется атомная структура h-BN после окисления. Первые работы по синтезу BNO (https://doi. org/10.1002/adma.201700695) говорят о том, что атомы кислорода находятся в положении замещения атомов азота. «Данный факт привел нас к детальному изучению влияния атомов кислорода на кристаллическую структуру оксинитрида бора. Мы начали исследование с применения эволюционного Сентябрь 2022 The Chemical Journal
ИССЛЕДОВАНИЯ
Атомная структура области оксинитрида бора с дефектами. Красным, черным и синим цветами выделены атомы кислорода, бора и азота.
Соединения бора являются объектом пристального внимания в исследованиях, посвященных созданию новейших материалов с прорывными свойствами.
Зависимость коэффициента поглощения от длины волны для структуры оксинитрида бора состава B5N3O2.
алгоритма USPEX. Метод позволяет предсказывать кристаллическую структуру исследуемого материала, исходя из знания только лишь его химического состава», — рассказывает Дмитрий Квашнин, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН. Коллектив ученых из Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН (ИБХФ РАН, Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) и Московского физико-технического института провел детальное изучение особенности функционализации 2d-наноматериалов с помощью численных методов компьютерного моделирования. Исследования атомной структуры и физико-химических свойств были выполнены с применением теории функционала электронной плотности, которая в настоящее время является основным инструментом вычислительного материаловедения. The Chemical Journal Сентябрь 2022
Атомная структура B5N3O2 с выделенными областями, обладающими ненулевым дипольным моментом.
Согласно данной теории, энергия основного состояния электрона однозначно определяется его электронной плотностью. Исследование возможности образования двумерных структур B—N—O при добавлении кислорода в нитрид бора, был применен эволюционный поиск переменного состава, реализованный в методе USPEX. «С помощью эволюционного алгоритма нами был проведен первоначальный скрининг, который дал нам большой массив новых кристаллических 2d-структур состава BNO. Далее полученные структуры изучались более детально с помощью теории функционала электронной плотности», — поясняет Захар Попов, соавтор работы, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН. В ходе исследований было показано, что легирование кислородом приводит к образованию более дефектной и менее плотной структуры. Это связано с тем, что расположение атомов
кислорода с образованием эпоксидного мостика является энергетически выгодным положением при определенной концентрации по сравнению с позицией замещения. Такое расположение атомов кислорода также привело к появлению локальных дипольных моментов, которые могут придать структуре необычные пьезоэлектрические свойства. Ранние работы по исследованию структуры BNO были основаны на концепции, что атомы кислорода внедряются в структуру гексагонального нитрида бора в позиции замещения атомов азота, не меняя при этом его структуру. Коллективу ученых 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. 45