Ученые расшифровали кристаллическую структуру оксинитрида бора (BNO) — материала с контролируемыми электронными и оптическими свойствами. Ранее считалось, что если заменить часть азота в нитриде бора на кислород, то строение решетки не изменится. Однако российские ученые изучили этот материал методами компьютерного моделирования и выяснили: кристаллическая структура становится иной, при этом меняются и свойства материала. Исследование, поддержанное грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), позволит расширить области потенциального 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.
Расшифрована атомная структура оксинитрида бора (BNO), синтезированного в 2017 году (элементарная ячейка двумерного материала представлена слева). Необычная атомная структура приводит к смещению области поглощения в область ближнего ультрафиолета по сравнению с чистым h-BN (спектр поглощения справа). Изображение предоставлено авторами статьи
Оксинитрид бора (BNO) — перспективный материал, который совмещает в себе начальную структуру (атомную и электронную) гексагонального нитрида бора с низкой электропроводностью. Однако недавние исследования показали, что внедрение кислорода может изменять кристаллическую решетку нитрида бора.
«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.
Исследуя возможность образования двумерных структур B — N — O при добавлении кислорода в состав нитрида бора, ученые из Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН (Москва), Сколковского института науки и технологий (Москва) и Московского физико-технического института (Москва) применили эволюционный поиск переменного состава, реализованный в методе USPEX.
«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.
Расчеты показали, что в результате добавления в нитрид бора кислорода образуются специфические двумерные структуры. Они более дефектные и менее плотные, и в результате значение упругих постоянных было ниже, чем у исходного вещества. Этот факт ученые объясняют особенностями положения атомов кислорода. При определенной концентрации для них оказывается энергетически более выгодным образовать эпоксидный мостик между двумя другими атомами в материале и нарушить структуру решетки, чем заместить их. Это также привело к появлению локальных дипольных моментов, которые могут придать структуре необычные пьезоэлектрические свойства — иными словами, возрастает вероятность возникновения и усиления 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.
Информация и изображение предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
