Структуры и электронные свойства разновидностей нитрида
бора – соединения, во многом напоминающего алмаз, прежде всего
по прочности, исследует старший преподаватель кафедры химии
твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета ЧелГУ
Дмитрий Ряшенцев.
Полиморфных модификаций нитрида бора может быть обнаружено много, и уже сегодня химик ЧелГУ под руководством декана факультета, профессора Владимира Бурмистрова нашёл их порядка двадцати.
«Нитрид бора заинтересовал меня прежде всего как ближайший изоэлектронный аналог углерода. Атомы бора и азота в кубическом нитриде бора распложены таким же образом, как и атомы углерода в алмазе, – поясняет Дмитрий Ряшенцев. – По шкале твёрдости Мооса этот материал стоит на втором месте после алмаза, но в чём-то нитрид бора даже лучше «царя минералов»: этот искусственно созданный материал не растворяется в металлах при высоких температурах, более химически устойчив, практически не склонен к абразивному износу и окислению».
Благодаря своей прочности и свойствам, нитрид бора уже сейчас находит применение в самых разных областях. Например, для изготовления особо крепких керамических изделий. Материал может служить достойной заменой алмазным напылениям на шлифовочных дисках для обработки закалённой стали. Применяют нитрид бора и в наноэлектронике – в качестве транзисторов. Его используют при создании оптических накопителей, лазеров, экологических детекторов, фильтров… Польза материала, который выдерживает высокие температуры и химически устойчив, по достоинству оценена в аэрокосмической промышленности.
Где используют нитрид бора?
– для чистовой токарной обработки закалённой стали, имеющей высокую твёрдость;
– в качестве огнеупорного слоя;
– для изготовления режущих элементов, которые подвергаются сильнейшим нагрузкам;
– для изготовления керамики, которая способна выдерживать высочайшие температурные воздействия;
– для производства косметики. Нитрид бора не вступает в реакцию с кожей и придаёт косметическим средствам особые свойства.
Нитрид бора имеет черты сходства не только с алмазом, но и с графеном – не менее удивительным материалом толщиной в один атом, на котором сейчас сконцентрировано внимание учёных по всему миру.
К слову, в ЧелГУ больших успехов в исследовании графена добился аспирант кафедры радиофизики и электроники физического факультета ЧелГУ Максим Беленков.
Графен уже нашёл достойное применение в электронике. А слоевой нитрид бора, как широкозонный полупроводник, по своим электронным свойствам, по утверждению учёных ЧелГУ, даже интереснее графена.
«Среди новых, найденных нами соединений нитрида бора есть как
графеноподобные, так и алмазоподобные, – отмечает Дмитрий Ряшенцев. – В данный момент я занимаюсь изучением алмазоподобных фаз – это
когда один атом соединён с четырьмя другими соседними атомами проч-
ными связями. Исследование новых структур происходит при помощи
компьютерного моделирования. Задав определённое положение атомов, мы рассчитываем устойчивость этих структур, а затем описываем причины этой самой устойчивости. Наиболее устойчивые и нужно синтезировать, а затем проводить с ними эксперименты. Теоретические исследования, по сути, облегчают работу экспериментаторов».
Среди новых алмазоподобных фаз нитрида бора особое внимание исследователя привлекают несколько. Среди них – устойчивая структура
ректангулана.
«Структура ректангулана наименее деформирована по сравнению со
структурой алмаза, поэтому я думаю, что её следует пытаться получить
в первую очередь. По электронным свойствам эта разновидность нитрида бора должна обладать большим значением ширины запрещённой зоны (6.2 эВ) и проявлять диэлектрические свойства», – рассуждает химик ЧелГУ.
Исследование Дмитрия Ряшенцева – междисциплинарное: учёный работает одновременно в двух областях – химия твёрдого тела и физика конденсированного состояния. Эти разделы научного знания находятся рядом и пересекаются, однако физиков здесь больше интересуют свойства материалов, а химиков – их синтез.
«Прямо сейчас я занимаюсь теоретическим моделированием нитрида бора с алмазоподобной структурой, которая получается в процессе совмещения так называемых нанотрубок. И делаю это с дальним прицелом, – признаётся химик ЧелГУ. – Думаю, что эта работа когда-нибудь выльется в экспериментальный синтез соединений. Это возможно сделать на основе синтеза углеродных соединений при условии высоких
температуры и давления».
Добавим, своё исследование Дмитрий Ряшенцев начинал в аспирантуре ЧелГУ под руководством профессора кафедры физики конденсированного состояния физического факультета ЧелГУ Евгения Беленкова, который возглавлял научную школу по исследованию структуры и электронных свойств углеродных соединений. Видный учёный, к сожалению, ушёл из жизни в 2021 году.
Материал подготовила Наталья ЧАНОВА,
фото Инны Головановой
