“Mutasie is die sleutel tot die ontrafeling van die raaisel van evolusie. Die pad van ontwikkeling van die eenvoudigste organisme na die dominante biologiese spesie duur duisende jare. Maar elke honderdduisend jaar is daar 'n skerp sprong vorentoe in evolusie" (Charles Xavier, X-Men, 2000). As ons al die wetenskapfiksie-elemente wat in strokiesprente en films voorkom, weggooi, dan is die woorde van professor X heeltemal waar. Die ontwikkeling van iets verloop die meeste van die tyd eweredig, maar soms is daar spronge wat 'n groot impak op die hele proses het. Dit geld nie net vir die evolusie van spesies nie, maar ook vir die evolusie van tegnologie, waarvan die hoofaandrywer mense, hul navorsing en uitvindings is. Vandag sal ons kennis maak met 'n studie wat volgens sy skrywers 'n ware evolusionêre sprong in nanotegnologie is. Hoe het wetenskaplikes van die Noordwes-Universiteit (VSA) daarin geslaag om 'n nuwe tweedimensionele heterostruktuur te skep, waarom is grafeen en borofeen as die basis gekies, en watter eienskappe kan so 'n stelsel hê? Die verslag van die navorsingsgroep sal ons hiervan vertel. Gaan.
Navorsingsbasis
Ons het die term "grafeen" al baie gehoor; dit is 'n tweedimensionele modifikasie van koolstof, wat bestaan uit 'n laag koolstofatome van 1 atoom dik. Maar "borofen" is uiters skaars. Hierdie term verwys na 'n tweedimensionele kristal wat uitsluitlik uit boor (B) atome bestaan. Die moontlikheid van die bestaan van borofeen is eers in die middel 90's voorspel, maar in die praktyk is hierdie struktuur eers teen 2015 verkry.
Die atoomstruktuur van borofeen bestaan uit driehoekige en seskantige elemente en is 'n gevolg van die interaksie tussen twee-sentrum en multi-sentrum in-vlak bindings, wat baie tipies is vir elektron-tekort elemente, wat boor insluit.
*Met tweesentrum- en multisentrumbindings bedoel ons chemiese bindings - interaksies van atome wat die stabiliteit van 'n molekule of kristal as 'n enkele struktuur kenmerk. Byvoorbeeld, 'n twee-senter twee-elektronbinding vind plaas wanneer 2 atome 2 elektrone deel, en 'n twee-sentrum drie-elektronbinding vind plaas wanneer 2 atome en 3 elektrone, ens.
Uit 'n fisiese oogpunt kan borofeen sterker en meer buigsaam wees as grafeen. Daar word ook geglo dat boorfeenstrukture 'n effektiewe aanvulling vir batterye kan wees omdat boorfeen hoë spesifieke kapasiteit en unieke elektroniese geleidingsvermoë en ioonvervoer eienskappe het. Op die oomblik is dit egter net 'n teorie.
synde driewaardige element*, boor het ten minste 10 allotrope*. In tweedimensionele vorm, soortgelyk polimorfisme* word ook waargeneem.
Driewaardige element* in staat om drie kovalente bindings te vorm, waarvan die valensie drie is.
Allotropie* - wanneer een chemiese element in die vorm van twee of meer eenvoudige stowwe aangebied kan word. As 'n voorbeeld, koolstof - diamant, grafeen, grafiet, koolstof nanobuise, ens.
Polimorfisme* - die vermoë van 'n stof om in verskillende kristalstrukture te bestaan (polimorfiese modifikasies). In die geval van eenvoudige stowwe is hierdie term sinoniem met allotropie.
Gegewe hierdie wye polimorfisme, word voorgestel dat boorfeen 'n uitstekende kandidaat kan wees vir die skep van nuwe tweedimensionele heterostrukture, aangesien verskillende boorbindingskonfigurasies die roosterpassingsvereistes moet verslap. Ongelukkig is hierdie kwessie voorheen uitsluitlik op teoretiese vlak bestudeer as gevolg van probleme met sintese.
Vir konvensionele 2D-materiale verkry uit grootmaat gelaagde kristalle, kan vertikale heterostrukture gerealiseer word deur meganiese stapeling te gebruik. Aan die ander kant is tweedimensionele laterale heterostrukture gebaseer op bottom-up sintese. Atoom presiese laterale heterostrukture het groot potensiaal in die oplossing van funksionele beheerprobleme van heterojunction, maar as gevolg van kovalente binding, lei onvolmaakte roosterpassing tipies tot wye en wanordelike koppelvlakke. Daarom is daar potensiaal, maar daar is ook probleme om dit te verwesenlik.
In hierdie werk het die navorsers daarin geslaag om borofeen en grafeen in een tweedimensionele heterostruktuur te integreer. Ten spyte van die kristallografiese rooster-wanpassing en simmetrie tussen boorfeen en grafeen, lei opeenvolgende afsetting van koolstof en boor op 'n Ag(111)-substraat onder ultrahoë vakuum (UHV) tot byna atomies presiese laterale hetero-koppelvlakke met voorspelde roosterbelynings, sowel as vertikale hetero-koppelvlakke. .
Studievoorbereiding
Voordat die heterostruktuur bestudeer is, moes dit vervaardig word. Die groei van grafeen en borofeen is uitgevoer in 'n ultrahoë vakuumkamer met 'n druk van 1x10-10 millibar.
Die enkelkristal Ag(111) substraat is skoongemaak deur herhaalde siklusse van Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minute) en termiese uitgloeiing (550 °C, 45 minute) om 'n atoomskoon en plat Ag( 111) oppervlak. .
Grafeen is gekweek deur elektronstraalverdamping van 'n suiwer (99,997%) grafietstaaf met 'n deursnee van 2.0 mm op 'n Ag (750) substraat verhit tot 111 °C teen 'n verhittingstroom van ~ 1.6 A en 'n versnellingsspanning van ~ 2 kV , wat 'n emissiestroom van ~ 70 mA en koolstofvloed ~40 nA gee. Die druk in die kamer was 1 x 10-9 millibar.
Boorfeen is gekweek deur elektronstraalverdamping van 'n suiwer (99,9999%) boorstaaf op submonolaag grafeen op Ag (400) verhit tot 500-111 °C. Die filamentstroom was ~1.5 A en die versnellingsspanning was 1.75 kV, wat 'n emissiestroom van ~34 mA en 'n boorvloed van ~10 nA gee. Die druk in die kamer tydens die groei van borofeen was ongeveer 2 x 10-10 millibar.
Navorsingsresultate
Prent #1
Op die beeld 1A getoon STM* 'n momentopname van gegroeide grafeen, waar die grafeendomeine die beste gevisualiseer word met behulp van 'n kaart dI/dV (1V), waar I и V is die tonnelstroom en monsterverplasing, en d - digtheid.
STM* — skandeertonnelmikroskoop.
dI/dV kaarte van die monster het ons toegelaat om 'n hoër plaaslike digtheid van toestande van grafeen te sien in vergelyking met die Ag(111)-substraat. In ooreenstemming met vorige studies het die oppervlaktoestand van Ag (111) 'n stapeienskap wat na positiewe energieë verskuif word deur dI/dV spektrum van grafeen (1S), wat die hoër plaaslike digtheid van toestande van grafeen op verduidelik 1V op 0.3 eV.
Op die beeld 1D ons kan die struktuur van enkellaag grafeen sien, waar die heuningkoekrooster en moiré bobou*.
Superstruktuur* - 'n kenmerk van die struktuur van 'n kristallyne verbinding wat met 'n sekere interval herhaal en dus 'n nuwe struktuur met 'n ander afwisselingsperiode skep.
Moire* - superposisie van twee periodieke maaspatrone bo-op mekaar.
By laer temperature lei groei tot die vorming van dendritiese en defekte grafeendomeine. As gevolg van swak interaksies tussen grafeen en die onderliggende substraat, is die rotasiebelyning van grafeen met betrekking tot die onderliggende Ag(111) nie uniek nie.
Na boorneerlegging, skandeertonnelmikroskopie (1E) het die teenwoordigheid van 'n kombinasie van borofeen- en grafeendomeine getoon. Ook sigbaar in die prent is streke binne-in die grafeen, wat later geïdentifiseer is as grafeen geïntegreer met borofeen (aangedui in die prent Gr/B). Lineêre elemente wat in drie rigtings georiënteer is en deur 'n hoek van 120° geskei is, is ook duidelik sigbaar in hierdie area (geel pyle).
Prent #2
Foto op 2Aook 1E, bevestig die voorkoms van gelokaliseerde donker depressies in grafeen na boorneerlegging.
Om hierdie formasies beter te ondersoek en hul oorsprong uit te vind, is nog 'n foto van dieselfde gebied geneem, maar met behulp van kaarte |dlnI/dz| (2B), waar I - tonnelstroom, d is die digtheid, en z — sonde-monster skeiding (die gaping tussen die mikroskoopnaald en die monster). Die gebruik van hierdie tegniek maak dit moontlik om beelde met hoë ruimtelike resolusie te verkry. Jy kan ook CO of H2 op die mikroskoopnaald hiervoor gebruik.
Изображение 2S is 'n beeld wat verkry is met 'n STM waarvan die punt met CO bedek is. Vergelyking van beelde А, В и С toon dat alle atoomelemente gedefinieer word as drie aangrensende helder seshoeke wat in twee nie-ekwivalente rigtings gerig is (rooi en geel driehoeke in die foto's).
Vergrote beelde van hierdie area (2D) bevestig dat hierdie elemente in ooreenstemming is met boordopmiddel onsuiwerhede, wat twee grafeen subroosters beslaan, soos aangedui deur die gesuperponeerde strukture.
CO-bedekking van die mikroskoopnaald het dit moontlik gemaak om die geometriese struktuur van die borofeenvel (2E), wat onmoontlik sou wees as die naald standaard (metaal) sonder CO-bedekking was.
Prent #3
Vorming van laterale hetero-koppelvlakke tussen borofeen en grafeen (3A) behoort te voorkom wanneer boorfeen langs grafeendomeine groei wat reeds boor bevat.
Wetenskaplikes herinner daaraan dat laterale hetero-koppelvlakke gebaseer op grafeen-hBN (grafeen + boornitried) roosterkonsekwentheid het, en heteroaansluitings gebaseer op oorgangsmetaal dikalkogeniede simmetriese konsekwentheid het. In die geval van grafeen/borofeen is die situasie effens anders - hulle het minimale strukturele ooreenkoms in terme van roosterkonstantes of kristalsimmetrie. Ten spyte hiervan toon die laterale grafeen/boorfeen hetero-koppelvlak egter byna perfekte atoomkonsekwentheid, met die boorry (B-ry) rigtings in lyn met die sigsag (ZZ) rigtings van grafeen (3A). Op die 3V 'n vergrote beeld van die ZZ-gebied van die hetero-koppelvlak word getoon (blou lyne dui grensvlakelemente aan wat ooreenstem met boor-koolstof kovalente bindings).
Aangesien borofeen teen 'n laer temperatuur groei in vergelyking met grafeen, is dit onwaarskynlik dat die rande van die grafeendomein hoë mobiliteit sal hê wanneer 'n hetero-koppelvlak met borofeen gevorm word. Daarom is die byna atomies presiese hetero-koppelvlak waarskynlik die gevolg van verskillende konfigurasies en kenmerke van multisite boorbindings. Skandeertonnelspektroskopie-spektra (3S) en differensiële tonnelgeleiding (3D) toon dat die elektroniese oorgang van grafeen na boorfeen plaasvind oor 'n afstand van ~5 Å met geen sigbare koppelvlaktoestande nie.
Op die beeld 3E Getoon word drie skandeertonnelspektroskopie-spektra geneem langs die drie stippellyne in 3D, wat bevestig dat hierdie kort elektroniese oorgang onsensitief is vir plaaslike grensvlakstrukture en vergelykbaar is met dié by borofeen-silwer-koppelvlakke.
Prent #4
Grafeen interkalasie* is ook voorheen wyd bestudeer, maar die omskakeling van interkalante in ware 2D-velle is relatief skaars.
Interkalasie* - omkeerbare insluiting van 'n molekule of groep molekules tussen ander molekules of groepe molekules.
Die klein atoomradius van boor en die swak interaksie tussen grafeen en Ag(111) dui op moontlike interkalasie van grafeen met boor. In die beeld 4A bewyse word aangebied nie net van boor-interkalasie nie, maar ook van die vorming van vertikale boorfeen-grafeen heterostrukture, veral driehoekige domeine omring deur grafeen. Die heuningkoekrooster wat op hierdie driehoekige domein waargeneem is, bevestig die teenwoordigheid van grafeen. Hierdie grafeen vertoon egter 'n laer plaaslike digtheid van toestande by -50 meV in vergelyking met omliggende grafeen (4V). In vergelyking met grafeen direk op Ag(111), is daar geen bewyse van 'n hoë plaaslike digtheid van toestande in die spektrum nie dI/dV (4C, blou kromme), wat ooreenstem met die Ag(111)-oppervlaktoestand, is die eerste bewys van boor-interkalasie.
Ook, soos verwag vir gedeeltelike interkalasie, bly die grafeenrooster aaneenlopend regdeur die laterale koppelvlak tussen die grafeen en die driehoekige gebied (4D - stem ooreen met 'n reghoekige area op 4A, omsirkel in rooi stippellyn). 'n Beeld met CO op 'n mikroskoopnaald het ook die teenwoordigheid van boorsubstitusie onsuiwerhede bevestig (4E - stem ooreen met 'n reghoekige area op 4A, omsirkel in geel stippellyn).
Mikroskoopnaalde sonder enige deklaag is ook tydens die ontleding gebruik. In hierdie geval is tekens van eendimensionele lineêre elemente met 'n periodisiteit van 5 Å in die geïnterkaleerde grafeendomeine (4F и 4G). Hierdie eendimensionele strukture lyk soos die boorrye in die boorfeenmodel. Benewens die stel punte wat met grafeen ooreenstem, transformeer die Fourier van die beeld in 4G vertoon 'n paar ortogonale punte wat ooreenstem met 'n 3 Å x 5 Å reghoekige rooster (4H), wat uitstekend ooreenstem met die borofeenmodel. Daarbenewens het die waargenome drievoudige oriëntasie van die skikking van lineêre elemente (1E) stem goed ooreen met dieselfde oorheersende struktuur wat vir borofeenplate waargeneem word.
Al hierdie waarnemings dui sterk op die interkalasie van grafeen deur borofeen naby die rande van Ag, wat gevolglik lei tot die vorming van vertikale borofeen-grafeen heterostrukture, wat voordelig gerealiseer kan word deur die aanvanklike dekking van grafeen te vergroot.
4I is 'n skematiese voorstelling van 'n vertikale heterostruktuur op 4H, waar die rigting van die boorry (pienk pyl) nou in lyn is met die sigsagrigting van grafeen (swart pyl), wat dus 'n rotasie-proporsionele vertikale heterostruktuur vorm.
Vir 'n meer gedetailleerde kennismaking met die nuanses van die studie, beveel ek aan om na te kyk и aan hom.
Epiloog
Hierdie studie het getoon dat borofeen redelik in staat is om laterale en vertikale heterostrukture met grafeen te vorm. Sulke stelsels kan gebruik word in die ontwikkeling van nuwe tipes tweedimensionele elemente wat in nanotegnologie gebruik word, buigsame en draagbare elektronika, sowel as nuwe tipes halfgeleiers.
Die navorsers glo self dat hul ontwikkeling 'n kragtige stoot vorentoe vir elektroniese verwante tegnologie kan wees. Dit is egter steeds moeilik om met sekerheid te sê dat hulle woorde profeties sal word. Op die oomblik is daar nog baie wat nagevors, verstaan en uitgedink moet word sodat daardie wetenskapfiksie-idees wat die gedagtes van wetenskaplikes vul, 'n volwaardige werklikheid word.
Dankie vir julle aandag, bly nuuskierig en lekker week vir almal. 🙂
Dankie dat jy by ons gebly het. Hou jy van ons artikels? Wil jy meer interessante inhoud sien? Ondersteun ons deur 'n bestelling te plaas of by vriende aan te beveel, 30% afslag vir Habr-gebruikers op 'n unieke analoog van intreevlakbedieners, wat deur ons vir jou uitgevind is: (beskikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 kerne en tot 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Net hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees van
Bron: will.com