"الطفرة هي المفتاح لكشف سر التطور. يستمر مسار التطور من أبسط كائن حي إلى الأنواع البيولوجية السائدة لآلاف السنين. لكن كل مائة ألف سنة هناك قفزة حادة للأمام في التطور" (تشارلز كزافييه، X-Men، 2000). إذا تخلصنا من كل عناصر الخيال العلمي الموجودة في القصص المصورة والأفلام، فإن كلمات البروفيسور X صحيحة تمامًا. يتم تطوير شيء ما بالتساوي في معظم الأوقات، ولكن في بعض الأحيان تكون هناك قفزات لها تأثير كبير على العملية برمتها. ولا ينطبق هذا على تطور الأنواع فحسب، بل ينطبق أيضًا على تطور التكنولوجيا، التي يكون الإنسان وأبحاثه واختراعاته المحرك الرئيسي لها. سنتعرف اليوم على دراسة تعتبر، بحسب مؤلفيها، نقلة تطورية حقيقية في مجال تكنولوجيا النانو. كيف تمكن علماء من جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) من إنشاء بنية متغايرة جديدة ثنائية الأبعاد، ولماذا تم اختيار الجرافين والبوروفين كأساس، وما هي الخصائص التي قد يمتلكها مثل هذا النظام؟ سيخبرنا تقرير مجموعة البحث عن هذا. يذهب.
أساس البحث
لقد سمعنا مصطلح "الجرافين" مرات عديدة، فهو عبارة عن تعديل ثنائي الأبعاد للكربون، ويتكون من طبقة من ذرات الكربون سمكها ذرة واحدة. لكن "البوروفين" نادر للغاية. يشير هذا المصطلح إلى بلورة ثنائية الأبعاد تتكون فقط من ذرات البورون (B). تم التنبؤ بإمكانية وجود البوروفين لأول مرة في منتصف التسعينيات، ولكن من الناحية العملية لم يكن من الممكن الحصول على هذا الهيكل إلا بحلول عام 1.
يتكون التركيب الذري للبوروفين من عناصر مثلثة وسداسية، وهو نتيجة للتفاعل بين الروابط ذات المركزين والمتعددة المراكز، وهو أمر نموذجي جدًا بالنسبة للعناصر التي تعاني من نقص الإلكترون، والتي تشمل البورون.
*نعني بالروابط ثنائية المركز ومتعددة المراكز الروابط الكيميائية - تفاعلات الذرات التي تميز استقرار الجزيء أو البلورة كبنية واحدة. على سبيل المثال، تحدث الرابطة ثنائية الإلكترون عندما تتشارك ذرتان في إلكترونين، وتحدث الرابطة ثنائية المركز وثلاثة إلكترونات عندما تتشارك ذرتان و2 إلكترونات، وما إلى ذلك.
من الناحية الفيزيائية، قد يكون البوروفين أقوى وأكثر مرونة من الجرافين. ويعتقد أيضًا أن هياكل البوروفين يمكن أن تكون مكملاً فعالاً للبطاريات، نظرًا لأن البوروفين يتمتع بقدرة محددة عالية وموصلية إلكترونية فريدة وخصائص نقل الأيونات. ومع ذلك، في هذه اللحظة هذه مجرد نظرية.
يجري عنصر ثلاثي*البورون لديه ما لا يقل عن 10 المتآصلة*. في شكل ثنائي الأبعاد، مماثلة تعدد الأشكال* ويلاحظ أيضا.
عنصر ثلاثي* قادرة على تكوين ثلاث روابط تساهمية، تكافؤها ثلاثة.
التآصل* - عندما يمكن تقديم عنصر كيميائي واحد على شكل مادتين بسيطتين أو أكثر. على سبيل المثال، الكربون - الماس، الجرافين، الجرافيت، أنابيب الكربون النانوية، إلخ.
تعدد الأشكال* - قدرة المادة على التواجد في هياكل بلورية مختلفة (تعديلات متعددة الأشكال). في حالة المواد البسيطة، هذا المصطلح مرادف للتآصل.
نظرًا لتعدد الأشكال الواسع هذا، يُقترح أن البوروفين قد يكون مرشحًا ممتازًا لإنشاء هياكل متغايرة جديدة ثنائية الأبعاد، نظرًا لأن تكوينات روابط البورون المختلفة يجب أن تخفف من متطلبات مطابقة الشبكة. ولسوء الحظ، تمت دراسة هذه المسألة سابقًا على المستوى النظري حصريًا بسبب صعوبات التركيب.
بالنسبة للمواد التقليدية ثنائية الأبعاد التي يتم الحصول عليها من بلورات ذات طبقات كبيرة، يمكن تحقيق الهياكل المتغايرة الرأسية باستخدام التراص الميكانيكي. من ناحية أخرى، تعتمد الهياكل المتغايرة الجانبية ثنائية الأبعاد على التوليف من أسفل إلى أعلى. تتمتع الهياكل المتغايرة الجانبية الدقيقة ذريًا بإمكانيات كبيرة في حل مشكلات التحكم الوظيفي غير المتجانسة، ومع ذلك، نظرًا للترابط التساهمي، تؤدي مطابقة الشبكة غير الكاملة عادةً إلى واجهات واسعة ومضطربة. لذلك، هناك إمكانات، ولكن هناك أيضًا مشاكل في تحقيقها.
في هذا العمل، تمكن الباحثون من دمج البوروفين والجرافين في بنية واحدة متغايرة ثنائية الأبعاد. على الرغم من عدم تطابق الشبكة البلورية وتناسقها بين البوروفين والجرافين، فإن الترسيب المتسلسل للكربون والبورون على ركيزة Ag(111) تحت فراغ عالي للغاية (UHV) يؤدي إلى واجهات جانبية متغايرة دقيقة تقريبًا ذريًا مع محاذاة شبكية متوقعة، بالإضافة إلى واجهات متغايرة رأسية. .
التحضير للدراسة
قبل دراسة البنية المتغايرة، كان لا بد من تصنيعها. تم تنفيذ نمو الجرافين والبوروفين في غرفة مفرغة للغاية بضغط يتراوح بين 1x10-10 مليبار.
تم تنظيف الركيزة البلورية الفردية Ag(111) من خلال دورات متكررة من Ar+ الاخرق (1 × 10-5 ملي بار، 800 فولت، 30 دقيقة) والتليين الحراري (550 درجة مئوية، 45 دقيقة) للحصول على Ag(111) نظيف ذريًا. XNUMX) السطح.
تمت زراعة الجرافين عن طريق تبخر شعاع الإلكترون لقضيب جرافيت نقي (99,997٪) يبلغ قطره 2.0 مم على ركيزة Ag (750) تم تسخينها إلى 111 درجة مئوية عند تيار تسخين يبلغ حوالي 1.6 أمبير وجهد تسارع يبلغ حوالي 2 كيلو فولت. ، والذي يعطي تيار انبعاث يبلغ ~ 70 مللي أمبير وتدفق الكربون ~ 40 نانومتر. كان الضغط في الغرفة 1 × 10-9 مليبار.
تمت زراعة البوروفين من خلال تبخر شعاع الإلكترون لقضيب بورون نقي (99,9999%) على طبقة جرافين تحت أحادية الطبقة على Ag (400) تم تسخينه إلى 500-111 درجة مئوية. كان تيار الفتيل ~ 1.5 أمبير وكان الجهد المتسارع 1.75 كيلو فولت، مما يعطي تيار انبعاث يبلغ ~ 34 مللي أمبير وتدفق البورون ~ 10 nA. كان الضغط في الحجرة أثناء نمو البوروفين حوالي 2 × 10-10 مليبار.
نتائج الدراسة
الصورة رقم 1
على الصورة 1А مبين ستم* لقطة من الجرافين المزروع، حيث يمكن رؤية مجالات الجرافين بشكل أفضل باستخدام الخريطة dI/dV (1V) أين I и V هي تيار النفق وإزاحة العينة، و d - كثافة.
ستم* - مجهر مسح نفقي.
dI/dV سمحت لنا خرائط العينة برؤية كثافة محلية أعلى لحالات الجرافين مقارنة بالركيزة Ag (111). وفقا للدراسات السابقة فإن الحالة السطحية لـ Ag (111) لها خاصية الخطوة، تتحول نحو الطاقات الإيجابية بواسطة dI/dV طيف الجرافين (1S)، وهو ما يفسر الكثافة المحلية الأعلى لحالات الجرافين 1V عند 0.3 فولت.
على الصورة 1D يمكننا أن نرى هيكل الجرافين طبقة واحدة، حيث شعرية العسل و البنية الفوقية تموج في النسيج *.
البنية الفوقية* - سمة من سمات بنية المركب البلوري التي تتكرر عند فترة زمنية معينة وبالتالي تخلق بنية جديدة بفترة تناوب مختلفة.
تموج في النسيج* - تراكب نمطين شبكيين دوريين فوق بعضهما البعض.
في درجات الحرارة المنخفضة، يؤدي النمو إلى تكوين مجالات الجرافين التغصنية والمعيبة. نظرًا للتفاعلات الضعيفة بين الجرافين والركيزة الأساسية، فإن المحاذاة الدورانية للجرافين فيما يتعلق بـ Ag(111) الأساسي ليست فريدة من نوعها.
بعد ترسيب البورون، يتم إجراء الفحص المجهري النفقي (1E) أظهر وجود مزيج من مجالات البوروفين والجرافين. تظهر أيضًا في الصورة مناطق داخل الجرافين، والتي تم تحديدها لاحقًا على أنها جرافين مقحم مع البوروفين (المشار إليه في الصورة غرام / ب). كما تظهر بوضوح في هذه المنطقة العناصر الخطية الموجهة في ثلاثة اتجاهات والمفصولة بزاوية 120 درجة (الأسهم الصفراء).
الصورة رقم 2
الصورة على 2Аكما 1Eتأكد من ظهور المنخفضات الداكنة الموضعية في الجرافين بعد ترسب البورون.
ومن أجل فحص هذه التكوينات بشكل أفضل ومعرفة أصلها تم التقاط صورة أخرى لنفس المنطقة ولكن باستخدام الخرائط |dlnI/دج| (٢ب)، حيث I - تيار النفق، d هي الكثافة، و z — فصل عينة المسبار (الفجوة بين إبرة المجهر والعينة). يتيح استخدام هذه التقنية الحصول على صور ذات دقة مكانية عالية. يمكنك أيضًا استخدام ثاني أكسيد الكربون أو الهيدروجين على إبرة المجهر لهذا الغرض.
Изображение 2S هي صورة تم الحصول عليها باستخدام STM الذي تم طلاء طرفه بثاني أكسيد الكربون. مقارنة الصور А, В и С يوضح أن جميع العناصر الذرية محددة على أنها ثلاثة أشكال سداسية لامعة متجاورة موجهة في اتجاهين غير متكافئين (المثلثات الحمراء والصفراء في الصور الفوتوغرافية).
صور مكبرة لهذه المنطقة (2D) تؤكد أن هذه العناصر تتفق مع شوائب البورون المنشط، التي تشغل شبكتين فرعيتين من الجرافين، كما هو موضح في الهياكل المتراكبة.
أتاح طلاء ثاني أكسيد الكربون لإبرة المجهر الكشف عن البنية الهندسية لطبقة البوروفين (2E) ، وهو أمر مستحيل إذا كانت الإبرة قياسية (معدنية) بدون طلاء ثاني أكسيد الكربون.
الصورة رقم 3
تشكيل واجهات جانبية غير متجانسة بين البوروفين والجرافين (3А) يجب أن يحدث عندما ينمو البوروفين بجوار مجالات الجرافين التي تحتوي بالفعل على البورون.
يذكر العلماء أن الواجهات الجانبية غير المتجانسة القائمة على الجرافين-hBN (الجرافين + نيتريد البورون) لها اتساق شبكي، والوصلات غير المتجانسة القائمة على ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية لها اتساق متماثل. في حالة الجرافين/ البوروفين، فإن الوضع مختلف قليلاً - لديهم الحد الأدنى من التشابه الهيكلي من حيث ثوابت الشبكة أو التماثل البلوري. ومع ذلك، على الرغم من ذلك، تُظهر الواجهة الجانبية المتغايرة للجرافين/البوروفين اتساقًا ذريًا مثاليًا تقريبًا، مع محاذاة اتجاهات صف البورون (الصف B) مع الاتجاهات المتعرجة (ZZ) للجرافين (3А). على 3V يتم عرض صورة مكبرة لمنطقة ZZ للواجهة غير المتجانسة (تشير الخطوط الزرقاء إلى العناصر البينية المقابلة للروابط التساهمية البورون والكربون).
نظرًا لأن البوروفين ينمو عند درجة حرارة أقل مقارنة بالجرافين، فمن غير المرجح أن تتمتع حواف مجال الجرافين بحركة عالية عند تشكيل واجهة غير متجانسة مع البوروفين. لذلك، من المحتمل أن تكون الواجهة غير المتجانسة ذات الدقة الذرية تقريبًا نتيجة لتكوينات وخصائص مختلفة لسندات البورون متعددة المواقع. مسح أطياف التحليل النفقي (3S) والتوصيل النفقي التفاضلي (3D) يُظهر أن الانتقال الإلكتروني من الجرافين إلى البوروفين يحدث على مسافة ~ 5 Å مع عدم وجود حالات واجهة مرئية.
على الصورة 3E تظهر ثلاثة أطياف مسح طيفي نفقي مأخوذة على طول الخطوط الثلاثة المتقطعة ثلاثية الأبعاد، والتي تؤكد أن هذا التحول الإلكتروني القصير غير حساس للهياكل البينية المحلية ويمكن مقارنته بما يحدث في واجهات البوروفين والفضة.
الصورة رقم 4
الجرافين إقحام* كما تمت دراستها سابقًا على نطاق واسع، ولكن تحويل المواد المقحمة إلى أوراق ثنائية الأبعاد حقيقية أمر نادر نسبيًا.
إقحام* - إدراج عكسي لجزيء أو مجموعة من الجزيئات بين جزيئات أو مجموعات من الجزيئات الأخرى.
يشير نصف القطر الذري الصغير للبورون والتفاعل الضعيف بين الجرافين وAg(111) إلى إمكانية إقحام الجرافين مع البورون. في الصورة 4А تم تقديم الأدلة ليس فقط على إقحام البورون، ولكن أيضًا على تكوين هياكل متغايرة عمودية من البوروفين والجرافين، وخاصة المجالات المثلثة المحاطة بالجرافين. تؤكد شبكة قرص العسل التي لوحظت في هذا المجال الثلاثي وجود الجرافين. ومع ذلك، يُظهر هذا الجرافين كثافة محلية أقل للحالات عند -50 ميلي فولت مقارنة بالجرافين المحيط (4V). بالمقارنة مع الجرافين مباشرة على Ag(111)، لا يوجد دليل على وجود كثافة محلية عالية للحالات في الطيف dI/dV (4C، المنحنى الأزرق)، الموافق لحالة السطح Ag (111)، هو أول دليل على إقحام البورون.
أيضًا، كما هو متوقع للإقحام الجزئي، تظل شبكة الجرافين مستمرة طوال الواجهة الجانبية بين الجرافين والمنطقة المثلثة (4D - يتوافق مع مساحة مستطيلة 4А، محاطة بدائرة باللون الأحمر المنقط). كما أكدت صورة باستخدام ثاني أكسيد الكربون على إبرة المجهر وجود شوائب استبدال البورون (4E - يتوافق مع مساحة مستطيلة 4А، محاطة بدائرة باللون الأصفر المنقط).
كما تم استخدام إبر المجهر دون أي طلاء أثناء التحليل. في هذه الحالة، تم الكشف عن علامات العناصر الخطية أحادية البعد مع دورية قدرها 5 Å في مجالات الجرافين المقحمة (4F и 4G). تشبه هذه الهياكل أحادية البعد صفوف البورون في نموذج البوروفين. بالإضافة إلى مجموعة النقاط المقابلة للجرافين، تحويل فورييه للصورة إلى 4G يعرض زوجًا من النقاط المتعامدة المقابلة لشبكة مستطيلة مقاس 3 × 5 × (4Н) ، وهو في اتفاق ممتاز مع نموذج البوروفين. بالإضافة إلى ذلك، الاتجاه الثلاثي الملحوظ لمجموعة العناصر الخطية (1E) يتفق جيدًا مع نفس البنية السائدة التي لوحظت في صفائح البوروفين.
تشير كل هذه الملاحظات بقوة إلى تقاطع الجرافين مع البوروفين بالقرب من حواف Ag، مما يؤدي بالتالي إلى تكوين هياكل متغايرة عمودية من البوروفين والجرافين، والتي يمكن تحقيقها بشكل مفيد عن طريق زيادة التغطية الأولية للجرافين.
4I هو تمثيل تخطيطي للبنية المتغايرة العمودية 4H، حيث يتماشى اتجاه صف البورون (السهم الوردي) بشكل وثيق مع الاتجاه المتعرج للجرافين (السهم الأسود)، وبالتالي تشكيل بنية متغايرة رأسية متناسبة دورانيًا.
لمزيد من التعارف المفصل مع الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بالنظر и له.
خاتمة
أظهرت هذه الدراسة أن البوروفين قادر تمامًا على تكوين هياكل متباينة جانبية ورأسية باستخدام الجرافين. ويمكن استخدام مثل هذه الأنظمة في تطوير أنواع جديدة من العناصر ثنائية الأبعاد المستخدمة في تكنولوجيا النانو، والإلكترونيات المرنة والقابلة للارتداء، بالإضافة إلى أنواع جديدة من أشباه الموصلات.
يعتقد الباحثون أنفسهم أن تطويرهم يمكن أن يكون بمثابة دفعة قوية للأمام للتكنولوجيات المتعلقة بالإلكترونيات. ومع ذلك، لا يزال من الصعب القول على وجه اليقين أن كلماتهم سوف تصبح نبوية. وفي الوقت الحالي، لا يزال هناك الكثير مما يتعين بحثه وفهمه واختراعه حتى تصبح أفكار الخيال العلمي التي تملأ أذهان العلماء حقيقة كاملة.
شكرًا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين واستمتعوا بأسبوع جيد للجميع. 🙂
أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المحتوى المثير للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية للأصدقاء ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من الخوادم المبتدئة ، والتي اخترعناها من أجلك: (متوفر مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا وحتى 40 جيجا بايت DDR4).
ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ هنا فقط في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960 جيجا بايت SSD 1 جيجا بايت في الثانية 100 تيرا بايت - من 99 دولارًا! أقرأ عن
المصدر: www.habr.com