Поверхность реконструированного бора не имеет свойств металла

Сянь-Фэн Чжу (Xiang-Feng Zhou) совместно с коллегами из университета Стоуни-Брук обнаружил, что поверхность кристалла бора не обладает металлическими свойствами. Иными словами, бор не относится к числу топологических изоляторов — неметаллических материалов с металлическими поверхностями, способными проводить электрический ток. Об этом сообщает веб-сайт университета со ссылкой на их статью в журналеPhysical Review Letters.

Недавно был открыт новый класс материалов, который назвали топологическими изоляторами — неметаллические материалы с металлическими поверхностями, способными проводить электрический ток. Этот эффект наблюдается только в материалах, которые содержат тяжелые элементы. Швейцарские ученые предсказали, что реконструированная поверхность бора демонстрирует аналогичное поведение, бор — это легкий элемент, и его металлическая поверхность может быть быть создана только перестройкой атомов на поверхности.

Именно это предположение и опроверг Чжу, проводящий исследования в лаборатории Артема Оганова, выпускника МГУ, а ныне профессора теоретической кристаллографии на факультете геофизики. Ученые использовали программу для предсказания структуры USPEX (Universal Structure Predictor: Evolutionary Xrystallography — Универсальный предсказатель структуры: эволюционная кристаллография), соединяющий мощный глобальный алгоритм оптимизации с квантовой механикой и используется более 1900 учеными по всему миру. «В нашей программе соединены специально разработанный эволюционный алгоритм и квантово-механические вычисления, основанные на функциональной теории плотности, — объяснил Оганов, создатель USPEX и руководитель лаборатории, где сотрудничает Чжу. — На этих методах и технологиях основаны сегодня вычислительные методы в материаловедении».

Реалистическая модель поверхностной реконструкции кристаллов бора, построенная с помощью USPEX, показала, что реконструкция происходит с гораздо меньшей энергией, чем было считалось раньше, что подтверждает, что классическое правило подсчета электронов (для объяснения электронной структуры и связей) управляет всей реконструкцией. Альфа-поверхность бора [111] является полупроводником, как и в случае с большинством других кристаллов, и имеет структуру аналогичную другим фазам бора и гамма-бора.

«Это может помочь разработать стратегию синтеза таких фаз на поверхности альфа-бора. Несмотря на то, что наши вычисления опровергают существующие предположения о металлических свойствах поверхности, открывающиеся возможности могут быть не менее интересными», — объяснил Чжу. Однако результаты работы могут оказаться полезными для исследований в области фотокаталитического расщепления воды, где бор считается перспективным материалом.

Фотокаталитическое расщепление воды — это процесс искусственного фотосинтеза, который используется для расщепления воды на кислород и водород. С его помощью можно наладить производство водорода из воды в больших масштабах для водородного горючего, которое сгорает, не выделяя загрязняющих веществ, и может использоваться в топливных элементах.

Источник иллюстрации: Университет штата Нью-Йорк в Стони-Бруке