Borofen, bor atomlarının tek atom kalınlığında, iki boyutlu (2B) bir düzlemde düzenlenmesiyle oluşan, grafenin bor analoğu olan dikkat çekici bir malzemedir. Bu malzeme, grafenin olağanüstü özelliklerini taklit etme potansiyeline sahip olmakla birlikte, bora özgü elektron eksikliği nedeniyle kendine özgü ve çeşitli yapısal polimorfizmler sergiler. Borofenin keşfi ve sentezi, yalnızca temel bilimsel araştırmalar için değil, aynı zamanda yeni nesil elektronik, optoelektronik, süperiletken ve katalitik uygulamalar için de önemli bir potansiyel sunmaktadır. Borun zengin kimyasal yapısı ve güçlü kovalent bağlar oluşturma eğilimi, borofenin çeşitli geometrilerde ve elektronik özelliklerde var olmasını mümkün kılmıştır.

Borofenin Yapısal Çeşitliliği ve Sentez Yöntemleri

Borofen, grafen gibi tek tip bir yapıya sahip değildir; bunun yerine, bor atomlarının dizilişine bağlı olarak birden fazla kararlı veya yarı kararlı yapısal fazda bulunabilir. Bu yapısal çeşitlilik, bor atomlarının elektron eksikliği ve çok merkezli bağlar oluşturma eğiliminden kaynaklanmaktadır. Teorik çalışmalar, altıgen kafesler, üçgen kafesler ve bunların hibrit formları dahil olmak üzere birçok olası borofen yapısını öngörmüştür. Deneysel olarak ise, farklı yüzeyler üzerinde ve farklı büyüme koşulları altında çeşitli borofen fazları sentezlenmiştir.

Deneysel Sentez Yöntemleri

Borofen sentezi, genellikle metalik yüzeyler üzerinde, yüksek vakum koşulları altında gerçekleştirilen moleküler ışın epitaksisi (MBE) ve kimyasal buhar biriktirme (CVD) gibi tekniklerle sağlanır. Gümüş (Ag) ve bakır (Cu) yüzeyler, borofenin epitaksiyel büyümesi için tercih edilen substratlar olmuştur. 2015 yılında Mannix ve arkadaşları tarafından Ag(111) yüzeyinde, ardından 2016 yılında Zhou ve ekibi tarafından Cu(111) yüzeyinde ilk deneysel borofen sentezleri rapor edilmiştir. Bu yöntemler, atomik olarak düzgün ve kristal yapılı borofen filmlerinin elde edilmesini sağlamıştır.

Ag(111) Yüzeyinde Borofen Büyümesi

Gümüş (111) yüzeyi, bor atomlarının yüzeyle güçlü etkileşimlerinden dolayı borofen oluşumu için uygun bir platform sunar. Bu yüzey üzerinde sentezlenen borofen yapıları genellikle atomik olarak düzgün ve nanometre boyutlu alanlara yayılmıştır. Yapısal olarak, Ag(111) üzerinde çoğunlukla bor atomlarının eksik olduğu, altıgen boşluklar içeren "boşluklu" veya "delikli" borofen yapılarının oluştuğu gözlemlenmiştir. Bu boşluklar, borun üçgen kafesleri oluşturma eğilimi ile ilişkilidir ve malzemenin elektronik özelliklerini önemli ölçüde etkileyebilir.

Cu(111) Yüzeyinde Borofen Büyümesi

Bakır (111) yüzeyi, Ag(111)'e kıyasla borofenin farklı yapısal polimorflarını destekleme potansiyeline sahiptir. Cu(111) üzerinde daha yoğun ve az kusurlu borofen filmlerinin sentezlenmesi mümkün olmuştur. Bu yüzeyde genellikle daha yüksek yoğunluklu bor atomu içeren, neredeyse mükemmel üçgen veya dikdörtgen kafeslere sahip borofen yapıları elde edilmiştir. Cu(111) yüzeyindeki daha zayıf bor-substrat etkileşimleri, bor atomlarının daha esnek bir şekilde kendi aralarında bağlanmasına ve daha çeşitli yapısal düzenlemeler sergilemesine olanak tanır.

Borofenin Elektronik ve Fiziksel Özellikleri

Borofen, benzersiz yapısal özelliklerinin bir sonucu olarak, grafene benzer ancak farklılıklar gösteren bir dizi olağanüstü elektronik ve fiziksel özellik sergiler. Bu özellikler, malzemenin gelecekteki teknolojik uygulamaları için büyük bir potansiyel taşır.

Yüksek Anizotropi ve Elektronik İletkenlik

Borofen, özellikle yapısal polimorfizmlerine bağlı olarak, yüksek derecede anizotropi gösterebilir. Bu, malzemenin farklı yönlerde farklı özellikler sergilediği anlamına gelir. Örneğin, bazı borofen yapılarında elektron iletkenliği belirli yönlerde diğer yönlerden daha yüksek olabilir. Borofenin metalik veya yarı metalik davranış sergilediği, yani elektronların serbestçe hareket edebildiği ve yüksek elektrik iletkenliğine sahip olduğu teorik ve deneysel olarak gösterilmiştir. Bu durum, elektronik cihazlar ve sensörler için önemli bir özelliktir.

Süperiletkenlik Potansiyeli

Borofen, grafen gibi iki boyutlu sistemlerde süperiletkenlik arayışları için umut vadeden bir platformdur. Teorik hesaplamalar, belirli borofen yapılarının, uygun koşullar altında ve doping ile süperiletkenlik sergileyebileceğini öngörmektedir. Özellikle, borun elektron eksikliği, borofen içerisinde süperiletkenliğe yol açabilecek elektron-fonon birleşmelerini destekleyebilir. Bu alandaki araştırmalar, oda sıcaklığı süperiletkenliği potansiyeli nedeniyle büyük ilgi görmektedir.

Yüksek Mekanik Dayanıklılık ve Esneklik

Bor atomları arasındaki güçlü kovalent bağlar nedeniyle, borofen yüksek bir mekanik dayanıklılığa ve esnekliğe sahiptir. Bu özellikler, grafenin bilinen mekanik sağlamlığına benzer veya hatta onu aşabilir. Yüksek gerilme mukavemeti ve esneklik, borofenin bükülebilir elektronik cihazlar, sensörler ve kompozit malzemeler gibi uygulamalarda kullanım potansiyelini artırır.

^{Borofen'in Farklı Yapısal Polimorfları ve Özellikleri (Hou ve ark., 2020)}

Borofenin Uygulama Alanları

Borofenin eşsiz özellikleri, onu enerji depolama, kataliz, sensörler ve elektronik gibi çeşitli uygulama alanları için cazip bir malzeme haline getirmektedir.

Enerji Depolama

Borofen, yüksek yüzey alanı ve lityum iyonları için yüksek bağlanma enerjisi nedeniyle lityum iyon pilleri ve süperkapasitörler için gelecek vaat eden bir anot malzemesi olarak değerlendirilmektedir. Borofenin yüksek teorik kapasitesi ve hızlı şarj/deşarj yetenekleri, onu daha verimli enerji depolama sistemleri için ideal bir aday yapmaktadır.

Kataliz ve Sensörler

Borofenin benzersiz elektronik yapısı ve yüksek yüzey reaktivitesi, onu katalitik uygulamalar için uygun kılmaktadır. Özellikle hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) gibi elektrokimyasal reaksiyonlarda, borofenin katalitik aktivite sergilediği gösterilmiştir. Ayrıca, yüksek hassasiyetli gaz sensörleri ve biyosensörler geliştirmek için de borofenin yüzeyine moleküllerin adsorbe olma yeteneği kullanılabilir.

Elektronik ve Optoelektronik

Borofenin metalik veya yarı metalik doğası ve yüksek elektron hareketliliği, onu yeni nesil transistörler ve diğer elektronik cihazlar için potansiyel bir malzeme yapmaktadır. Optik olarak, borofen geniş bir spektrumda ışığı absorbe edebilir ve bu da onu fotodedektörler ve güneş pilleri gibi optoelektronik uygulamalar için uygun hale getirebilir.