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Borophène

composé chimique

Le borophène est un matériau bidimensionnel cristallin d'épaisseur monoatomique constituant l'une des formes allotropiques du bore. Il fut théorisé au milieu des années 1990[1], mais ce n'est qu'à partir de 2015 que l'observation de différentes structures de borophène fut confirmée expérimentalement[2],[3].

Structure

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  • Structures pseudocristallines de borophène obtenues expérimentalement[4] : (a) borophène β12 (feuillet γ ou feuillet υ1/6), (b) borophène χ3 (feuillet υ1/5).
    Structures pseudocristallines de borophène obtenues expérimentalement[4] :
    (a) borophène β12 (feuillet γ ou feuillet υ1/6), (b) borophène χ3 (feuillet υ1/5).

Plusieurs structures cristallines et métalliques de borophène d'épaisseur monoatomique ont été synthétisées sur des surfaces métalliques sous ultravide[2],[3]. Leur structure atomique est constituée de motifs triangulaires et hexagonaux mixtes tels que ceux représentés ci-dessus[4]. Cette structure résulte des interactions entre liaisons planaires à deux centres et à plusieurs centres, typiques des éléments à configuration électronique déficitaire tels que le bore[5].

La géométrie planaire des clusters de bore a été calculée et confirmée expérimentalement en 2003[6], puis le cluster de bore B36 a été modélisé en 2014 comme le plus petit cluster ayant une symétrie d'ordre 6 et une lacune parfaitement hexagonale, pouvant par ailleurs servir de base pour l'extension en feuillets de bore à deux dimensions[7].

À la suite de la synthèse du silicène, plusieurs équipes avaient prédit que le borophène pourrait être produit sur une surface métallique[12],[13],[14]. En particulier, on a pu montrer que la structure cristalline du borophène dépend de la surface métallique sur laquelle il est déposé, et ce sans rapport avec sa structure à l'état libre[15].

Les premières synthèses de borophène ont été publiées en 2015, faisant état de phases de borophène obtenues dans l'ultravide sur des surfaces (111) d'argent[2],[3]. Parmi ces phases, le feuillet υ1/6, ou borophène β12, avait été théorisé à l'état fondamental sur une surface d'Ag(111)[15], tandis que le borophène χ3 avait été théorisé en 2012[16].

Propriétés

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Les borophènes présentent, dans le plan de leur structure, une élasticité et une résistance qui peuvent être très élevées. Dans certaines configurations, ils peuvent être plus résistants et plus flexibles que le graphène[17]. Les nanotubes de bore ont ainsi un module de Young 2D plus élevé que toutes les autres nanostructures connues, qu'elles soient en carbone ou à base d'autres éléments[18]. Soumis à un essai de traction dans leur plan, les borophènes présentent une transition de phase structurale en raison de la fluidité de leurs liaisons à plusieurs centres[19].

Applications

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Le borophène offre un potentiel de développement comme matériau d'anode pour les batteries en raison de sa capacité à transporter les ions et de sa conductivité électrique qui permettent d'envisager des capacités théoriques de stockage spécifique élevées ; l'hydrogène est facilement adsorbé sur le borophène jusqu'à 15 % massique de ce dernier, ce qui ouvre des perspectives de développement d'applications en stockage de l'hydrogène ; le borophène peut également catalyser la décomposition de l'hydrogène en ions H+ et de décomposer l'eau en ions oxyde O2− et hydrogène H+[20]. Les propriétés particulières de ce matériau laissent entrevoir tout un ensemble d'applications dans des domaines de pointe[21]. Fin 2020, on n'avait pu produire des borophènes que sur des substrats métalliques : l'étape suivante consiste à adapter cette technologie aux matériaux utilisés en microélectronique pour la transposer aux circuits intégrés[22].

Recherches

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Les premières simulations numériques réalisées dans les années 1990 montrèrent que les petits clusters de bore comme le B36 n'adoptent pas une géométrie icosaédrique comme les boranes mais s'avèrent être quasiment planaires[1]. Ceci permit de théoriser[23] l'existence de feuillets de bore d'épaisseur monoatomique (borophène[1]), d'analogues borés des fullerènes (borosphérènes[24]) et de nanotubes de bore[25],[26],[27].

Des études complémentaires montrèrent que le borophène triangulaire étendu est de nature métallique et adopte une géométrie plissée non planaire[28],[29], tandis que d'autres calculs, lancés à partir de la prédiction d'un fullerène de bore B80 stable[30], montrèrent que des feuillets de borophène étendus, avec une structure en nid d'abeilles et des trous hexagonaux partiellement remplis, sont également stables[31],[32]. Ces calculs indiquaient que ces borophènes devraient être de nature métallique. La structure en feuillet γ, également appelée borophène β12 ou feuillet υ1/6, est représentée en (a) dans la section « Structure »[32].

Notes et références

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  1. ↑ a b et c (en) Ihsan Boustani, « New quasi-planar surfaces of bare boron », Surface Science, vol. 370, nos 2-3,‎ , p. 355-363 (DOI 10.1016/S0039-6028(96)00969-7, Bibcode 1997SurSc.370..355B, lire en ligne)
  2. ↑ a b et c (en) Andrew J. Mannix, Xiang-Feng Zhou, Brian Kiraly, Joshua D. Wood, Diego Alducin, Benjamin D. Myers, Xiaolong Liu, Brandon L. Fisher, Ulises Santiago, Jeffrey R. Guest, Miguel Jose Yacaman, Arturo Ponce, Artem R. Oganov, Mark C. Hersam et Nathan P. Guisinger, « Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs », Science, vol. 350, no 6267,‎ , p. 1513-1516 (PMID 26680195, PMCID 4922135, DOI 10.1126/science.aad1080, Bibcode 2015Sci...350.1513M, lire en ligne)
  3. ↑ a b et c (en) Baojie Feng, Jin Zhang, Qing Zhong, Wenbin Li, Shuai Li, Hui Li, Peng Cheng, Sheng Meng, Lan Chen et Kehui Wu, « Experimental realization of two-dimensional boron sheets », Nature Chemistry, vol. 8, no 6,‎ , p. 563-568 (PMID 27219700, DOI 10.1038/nchem.2491, Bibcode 2016NatCh...8..563F, arXiv 1512.05029, lire en ligne)
  4. ↑ a et b (en) Bo Peng, Hao Zhang, Hezhu Shao, Zeyu Ning, Yuanfeng Xu, Gang Ni, Hongliang Lu, David Wei Zhang et Heyuan Zhu, « Stability and strength of atomically thin borophene from first principles calculations », Materials Research Letters, vol. 5, no 6,‎ , p. 399-407 (DOI 10.1080/21663831.2017.1298539, Bibcode 2016arXiv160805877P, arXiv 1608.05877, lire en ligne)
  5. ↑ (en) Linus Pauling, The nature of the chemical bond, 3e édition, Cornell University Press, 1960. (ISBN 0-8014-0333-2)
  6. ↑ (en) Hua-Jin Zhai, Boggavarapu Kiran, Jun Li et Lai-Sheng Wang, « Hydrocarbon analogues of boron clusters — planarity, aromaticity and antiaromaticity », Nature Materials, vol. 2, no 12,‎ , p. 827-833 (PMID 14608377, DOI 10.1038/nmat1012, lire en ligne)
  7. ↑ (en) Zachary A. Piazza, Han-Shi Hu, Wei-Li Li, Ya-Fan Zhao, Jun Li et Lai-Sheng Wang, « Planar hexagonal B36 as a potential basis for extended single-atom layer boron sheets », Nature Communications, vol. 5,‎ , article no 3113 (PMID 24445427, DOI 10.1038/ncomms4113, Bibcode 2014NatCo...5.3113P, lire en ligne)
  8. ↑ (en) Akbar Omidvar, « Borophene: A novel boron sheet with a hexagonal vacancy offering high sensitivity for hydrogen cyanide detection », Computational and Theoretical Chemistry, vol. 1115,‎ , p. 179-184 (DOI 10.1016/j.comptc.2017.06.018, lire en ligne)
  9. ↑ (en) Amirhossein Shahbazi Kootenaei et Goodarz Ansari, « B36 borophene as an electronic sensor for formaldehyde: Quantum chemical analysis », Physics Letters A, vol. 380, no 34,‎ , p. 2664-2668 (DOI 10.1016/j.physleta.2016.06.016, Bibcode 2016PhLA..380.2664S, lire en ligne)
  10. ↑ (en) Gerardo Martínez-Guajardo, José Luis Cabellos, Andres Díaz-Celaya, Sudip Pan, Rafael Islas, Pratim K. Chattaraj, Thomas Heine et Gabriel Merino, « Dynamical behavior of Borospherene: A Nanobubble », Scientific Reports, vol. 5,‎ , article no 11287 (PMID 26096039, PMCID 4476142, DOI 10.1038/srep11287, Bibcode 2015NatSR...511287M, lire en ligne)
  11. ↑ (en) Hui Bai, Bing Bai, Lin Zhang, Wei Huang, Yue-Wen Mu, Hua-Jin Zhai et Si-Dian Li, « Lithium-Decorated Borospherene B40: A Promising Hydrogen Storage Medium », Scientific Reports, vol. 6,‎ , article no 35518 (PMID 27752102, PMCID 5067665, DOI 10.1038/srep35518, Bibcode 2016NatSR...635518B, lire en ligne)
  12. ↑ (en) L. Z. Zhang, Q. B. Yan, S. X. Du, G. Su et H.-J. Gao, « Boron Sheet Adsorbed on Metal Surfaces: Structures and Electronic Properties », The Journal of Physical Chemistry, vol. 116, no 34,‎ , p. 18202-18206 (DOI 10.1021/jp303616d, lire en ligne)
  13. ↑ (en) Yuanyue Liu, Evgeni S. Penev et Boris I. Yakobson, « Probing the Synthesis of Two‐Dimensional Boron by First‐Principles Computations », Angewandte Chemie International Edition, vol. 52, no 11,‎ , p. 3156-3159 (PMID 23355180, DOI 10.1002/anie.201207972, Bibcode 2013arXiv1312.0656L, arXiv 1312.0656, lire en ligne)
  14. ↑ (en) Hongsheng Liu, Junfeng Gao et Jijun Zhao, « From Boron Cluster to Two-Dimensional Boron Sheet on Cu(111) Surface: Growth Mechanism and Hole Formation », Scientific Reports, vol. 3,‎ , article no 3238 (PMID 24241341, PMCID 3831238, DOI 10.1038/srep03238, lire en ligne)
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  17. ↑ (en) Zhi-Qiang Wang, Tie-Yu Lü, Hui-Qiong Wang, Yuan Ping Feng et Jin-Cheng Zheng, « Review of borophene and its potential applications », Frontiers of Physics, vol. 14, no 3,‎ , article no 33403 (DOI 10.1007/s11467-019-0884-5, Bibcode 2019FrPhy..1433403W, arXiv 1903.11304, lire en ligne)
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  19. ↑ (en) Zhuhua Zhang, Yang Yang, Evgeni S. Penev et Boris I. Yakobson, « Elasticity, Flexibility, and Ideal Strength of Borophenes », Advanced Functional Materials, vol. 27, no 9,‎ , article no 1605059 (DOI 10.1002/adfm.201605059, arXiv 1609.07533, lire en ligne)
  20. ↑ (en) « Sorry, graphene—borophene is the new wonder material that’s got everyone excited », sur technologyreview.com, MIT Technology Review, (consulté le ).
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  31. ↑ (en) Hui Tang et Sohrab Ismail-Beigi, « Novel Precursors for Boron Nanotubes: The Competition of Two-Center and Three-Center Bonding in Boron Sheets », Physical Review Letters, vol. 99, no 11,‎ , article no 115501 (PMID 17930448, DOI 10.1103/PhysRevLett.99.115501, Bibcode 2007PhRvL..99k5501T, lire en ligne)
  32. ↑ a et b (en) C. Özdoğan, S. Mukhopadhyay, W. Hayami, Z. B. Güvenç, R. Pandey et I. Boustani, « The Unusually Stable B100 Fullerene, Structural Transitions in Boron Nanostructures, and a Comparative Study of α- and γ-Boron and Sheets », The Journal of Physical Chemistry, vol. 114, no 10,‎ , p. 4362-4375 (DOI 10.1021/jp911641u, lire en ligne)
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