Лучше алмаза и графена: химик ЧелГУ моделирует идеальную структуру нитрида бора

​Старший преподаватель кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета Челябинского государственного университета Дмитрий Ряшенцев под руководством декана химического факультета ЧелГУ, профессора Владимира Бурмистрова исследует структуры и электронные свойства разновидностей нитрида бора – соединения, во многом напоминающего алмаз, прежде всего по прочности.

Полиморфных модификаций нитрида бора может быть обнаружено много, и уже сегодня химик ЧелГУ нашёл их порядка двадцати.

«Нитрид бора заинтересовал меня прежде всего как ближайший изоэлектронный аналог углерода. Атомы бора и азота в кубическом нитриде бора распложена 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.

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. – Сейчас я занимаюсь изучением алмазоподобных фаз – это когда один атом соединён с четырьмя другими соседними атомами прочными связями. Исследование новых структур происходит при помощи компьютерного моделирования. Задав определённое положение атомов, мы рассчитываем устойчивость этих структур, а затем описываем причины 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 запрещенной 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 современного 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 должна вылиться в экспериментальный синтез соединений. Думаю, это возможно сделать на основе синтеза углеродных соединений при условиях 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.