1.2 Возможные структурные модификации элементарного бора

1.2.1 Структура и свойства кластерной формы бора

Бор относится к немногочисленной группе химических элемен­тов, образующих в конденсированной форме большой спектр мо­дификаций.

Нейтральная конфигурация атома бора 1s²2s²2p¹. Данная конфигурация неустойчива и при формировании конденсированного состояния стремится перейти в более ста­бильную s¹p³, например, в результате одноэлектронных перехо­дов 2s²p¹ ↔2s¹p²↔2s¹p³+s¹p¹ .

Для реальных твердофазных модификаций бора возникает, как правило, набор гибридных конфигураций s^xp^у за счет элек­тронного обмена между атомами бора; при этом достижение от­носительной энергетической стабильности конфигураций может осуществляться различными способами, что находит отражение в широком многообразии структур и специфике свойств конден­сированного бора.

Стремление к образованию s¹p³-конфигураций определяет вы­раженные акцепторные свойства бора, его способность к захвату внешних электронов разнообразных примесей. Это приводит к известным проблемам получения конденсированного бора высо­кой чистоты, особенно в виде монокристаллов.

Для кристаллического беспримесного бора [26] достижение опти­мальной электронной конфигурации реализуется за счет образо­вания сложных структурных мотивов атомного упорядочения, включающих различную комбинацию полиэдрических группи­ровок (в основном, икосаэдров). При этом формиро­вание конкретной стабильной конфигурации может проходить через ряд промежуточных (менее устойчивых) кон­фигураций, что определяет лабильность бора к полиморфным превращениям и структурное многообразие его кристаллических модификаций.

Помимо кристаллического широко известны аморфное (стек­лообразное) и смешанное состояние элементарного бора, когда в образцах аморфного бора со­держатся включения кристаллического бора (как правило, в виде пленок).

В последнее время в связи с успехами в области физикохимии углеродных наноматериалов развиваются работы по методам получения и исследованию свойств бора в форме свободных клас­теров (нейтральных или ионных) или их ассоциатов. Предпола­гается также возможность образования квазикристаллов на основе элементарного бора.

Многообразие состояний конденсированного бора определяет необходимость разработки последовательной теории его элек­тронно-энергетического строения с помощью современных вы­числительных методов квантовой химии твердого тела и модели­рования (и прогноза) его свойств [26].

В настоящее время различают следующие конфигурации борных слоев, разделенных на несколько категорий: гексагональные слои аналогичные графену; триангулярные и буклированные слои {1212}; реконструированные {1221} слои; слои, основанные на икосаэдрической симметрии; слои низкой симметрии и гибридные слои (рис. 1.2.1) [27].

Рис. 1.2.1 Виды борных слоёв: a) гексагональный графеноподобный; б) триангулярные и буклированные {1212}; в) реконструированные {1221}; г) икосаэдрические; д) низкосимметричные; е) гибридные

Можно предположить возможность образования тубулярных форм бора путем скручивания борных слоев различных конфигураций. Данная возможность была предсказана ещё Ивановским А.Л. [28]