“Mutasiya təkamülün sirrini açmaq üçün açardır. Ən sadə orqanizmdən dominant bioloji növə qədər inkişaf yolu min illərlə davam edir. Ancaq hər yüz min ildən bir təkamüldə kəskin sıçrayış olur” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Əgər komikslərdə və filmlərdə olan bütün elmi-fantastik elementləri bir kənara qoysaq, professor X-in sözləri tamamilə doğrudur. Bir şeyin inkişafı çox vaxt bərabər şəkildə davam edir, lakin bəzən bütün prosesə böyük təsir göstərən atlamalar olur. Bu, təkcə növlərin təkamülünə deyil, həm də əsas hərəkətverici qüvvəsi insanlar, onların tədqiqatları və ixtiraları olan texnologiyanın təkamülünə də aiddir. Bu gün biz, müəlliflərinin fikrincə, nanotexnologiyada əsl təkamül sıçrayışı olan bir araşdırma ilə tanış olacağıq. Şimal-Qərb Universitetinin (ABŞ) alimləri yeni ikiölçülü heterostruktur yaratmağı necə bacardılar, niyə qrafen və borofen əsas kimi seçildi və belə bir sistem hansı xüsusiyyətlərə malik ola bilər? Bu barədə bizə araşdırma qrupunun hesabatı məlumat verəcək. Get.
Tədqiqat bazası
Biz "qrafen" terminini dəfələrlə eşitmişik; bu, 1 atom qalınlığında karbon atomları təbəqəsindən ibarət olan karbonun iki ölçülü modifikasiyasıdır. Ancaq "borofen" çox nadirdir. Bu termin yalnız bor (B) atomlarından ibarət iki ölçülü kristala aiddir. Borofenin mövcudluğu ehtimalı ilk dəfə 90-cı illərin ortalarında proqnozlaşdırıldı, lakin praktikada bu struktur yalnız 2015-ci ilə qədər əldə edildi.
Borofenin atom quruluşu üçbucaqlı və altıbucaqlı elementlərdən ibarətdir və ikimərkəzli və çoxmərkəzli müstəvi bağlar arasında qarşılıqlı təsirin nəticəsidir ki, bu da borun daxil olduğu elektron çatışmazlığı olan elementlər üçün çox xarakterikdir.
*İkimərkəzli və çoxmərkəzli bağlar dedikdə biz kimyəvi bağları - molekulun və ya kristalın vahid struktur kimi dayanıqlığını xarakterizə edən atomların qarşılıqlı təsirini nəzərdə tuturuq. Məsələn, iki mərkəzli iki elektronlu rabitə 2 atom 2 elektron paylaşdıqda, iki mərkəzli üç elektronlu rabitə isə 2 atom və 3 elektron və s.
Fiziki baxımdan, borofen qrafendən daha güclü və çevik ola bilər. Borofen konstruksiyalarının batareyalar üçün effektiv tamamlayıcı ola biləcəyinə də inanılır, çünki borofenin yüksək xüsusi tutumu və unikal elektron keçiriciliyi və ion daşıma xüsusiyyətləri var. Ancaq hazırda bu, sadəcə bir nəzəriyyədir.
olan üçvalent element*, borda ən az 10 var allotroplar*. İki ölçülü formada, oxşar polimorfizm* da müşahidə olunur.
Üçvalent element* valentliyi üç olan üç kovalent rabitə yaratmağa qadirdir.
Allotropiya* - bir kimyəvi element iki və ya daha çox sadə maddə şəklində təqdim oluna bildikdə. Nümunə olaraq karbon - almaz, qrafen, qrafit, karbon nanoborucuqları və s.
Polimorfizm* - maddənin müxtəlif kristal strukturlarda mövcud olma qabiliyyəti (polimorf modifikasiyalar). Sadə maddələrin vəziyyətində bu termin allotropiya ilə sinonimdir.
Bu geniş polimorfizmi nəzərə alaraq, borofenin yeni ikiölçülü heterostrukturlar yaratmaq üçün əla namizəd ola biləcəyi təklif edilir, çünki müxtəlif bor bağlama konfiqurasiyaları qəfəs uyğunluğu tələblərini yüngülləşdirməlidir. Təəssüf ki, sintezdəki çətinliklərə görə əvvəllər bu məsələ yalnız nəzəri səviyyədə öyrənilirdi.
Kütləvi laylı kristallardan əldə edilən ənənəvi 2D materiallar üçün mexaniki yığmadan istifadə edərək şaquli heterostrukturlar həyata keçirilə bilər. Digər tərəfdən, iki ölçülü yanal heterostrukturlar aşağıdan yuxarı sintezə əsaslanır. Atom cəhətdən dəqiq yanal heterostrukturlar hetero-qovuşma funksional idarəetmə problemlərini həll etmək üçün böyük potensiala malikdir, lakin kovalent bağlanma səbəbindən qeyri-kafi şəbəkə uyğunluğu adətən geniş və nizamsız interfeyslərlə nəticələnir. Ona görə də potensial var, amma reallaşdırmaqda problemlər də var.
Bu işdə tədqiqatçılar borofen və qrafeni bir ikiölçülü heterostrukturda birləşdirə biliblər. Borofen və qrafen arasında kristalloqrafik qəfəs uyğunsuzluğuna və simmetriyaya baxmayaraq, ultra yüksək vakuum (UHV) altında karbon və borun Ag(111) substratı üzərində ardıcıl çökməsi, proqnozlaşdırılan qəfəslərin hetero-heterointerfeysi ilə nəticələnir. .
Tədqiqata hazırlıq
Heterostrukturu öyrənməzdən əvvəl onu uydurmaq lazım idi. Qrafen və borofenin böyüməsi 1x10-10 millibar təzyiqə malik ultra yüksək vakuum kamerasında aparılmışdır.
Tək kristal Ag(111) substratı atomik təmiz və düz Ag( əldə etmək üçün Ar+ püskürtmə (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 dəqiqə) və termal yumşalma (550 °C, 45 dəqiqə) təkrar dövrləri ilə təmizləndi. 111) səth.
Qrafen, 99,997 mm diametrli təmiz (2.0%) qrafit çubuğunun ~ 750 A istilik cərəyanında və ~ 111 kV sürətləndirici gərginlikdə 1.6 °C-ə qədər qızdırılan Ag (2) substrat üzərində elektron şüası ilə buxarlanması ilə yetişdirildi. , bu ~ 70 mA emissiya cərəyanı və karbon axını ~ 40 nA verir. Kamerada təzyiq 1 x 10-9 millibar idi.
Borofen təmiz (99,9999%) bor çubuğunun 400-500 °C-yə qədər qızdırılan Ag (111) üzərində monoqatlı qrafen üzərində elektron şüası ilə buxarlanması yolu ilə yetişdirildi. Filament cərəyanı ~1.5 A və sürətləndirici gərginlik 1.75 kV idi ki, bu da ~34 mA emissiya cərəyanı və ~10 nA bor axını verir. Borofenin böyüməsi zamanı kamerada təzyiq təxminən 2 x 10-10 millibar idi.
Tədqiqatın nəticələri
Şəkil №1
Şəkil üzərində 1A göstərilir STM* qrafen domenlərinin xəritədən istifadə edərək ən yaxşı şəkildə göründüyü böyüdülmüş qrafenin şəkli dI/dV (1V) I и V tunel cərəyanı və nümunə yerdəyişməsidir və d - sıxlıq.
STM* — skan edən tunel mikroskopu.
dI/dV nümunənin xəritələri Ag(111) substratı ilə müqayisədə qrafenin daha yüksək yerli sıxlığını görməyə imkan verdi. Əvvəlki tədqiqatlara uyğun olaraq, Ag (111) səthinin vəziyyəti müsbət enerjilərə doğru sürüşən bir pillə xarakteristikasına malikdir. dI/dV qrafen spektri (1S), bu, qrafenin vəziyyətlərinin daha yüksək yerli sıxlığını izah edir 1V 0.3 eV-də.
Şəkil üzərində 1D bir qatlı qrafenin quruluşunu görə bilərik, burada pətək şəbəkəsi və muare üst quruluşu*.
Üst quruluş* - kristal birləşmənin strukturunun müəyyən intervalda təkrarlanan və bununla da fərqli alternativ dövrə malik yeni struktur yaradan xüsusiyyəti.
muar* — iki dövri mesh nümunəsinin üst-üstə qoyulması.
Aşağı temperaturda böyümə dendritik və qüsurlu qrafen domenlərinin meydana gəlməsinə səbəb olur. Qrafen və əsas substrat arasında zəif qarşılıqlı təsirlərə görə, əsas Ag(111) ilə müqayisədə qrafenin fırlanma hizalanması unikal deyil.
Bor çökdürüldükdən sonra skan edən tunel mikroskopiyası (1E) borofen və qrafen domenlərinin birləşməsinin mövcudluğunu göstərdi. Şəkildə həmçinin qrafenin içindəki bölgələr də görünür, sonradan onlar borofenlə birləşmiş qrafen kimi müəyyən edilmişdir (şəkildə göstərilmişdir) Qr/B). Bu sahədə üç istiqamətə yönəlmiş və 120° bucaqla ayrılmış xətti elementlər də aydın görünür (sarı oxlar).
Şəkil №2
Foto açıq 2AKimi 1E, bor çöküntüsündən sonra qrafendə lokallaşdırılmış qaranlıq çökəkliklərin görünüşünü təsdiqləyin.
Bu formasiyaları daha yaxşı tədqiq etmək və mənşəyini öyrənmək üçün eyni ərazidən başqa bir fotoşəkil çəkilmişdir, lakin xəritələrdən istifadə etməklə |dlnI/dz| (2B), harada I - tunel cərəyanı, d sıxlığıdır və z — zond-nümunənin ayrılması (mikroskop iynəsi ilə nümunə arasındakı boşluq). Bu texnikanın istifadəsi yüksək məkan qətnaməsi olan şəkillər əldə etməyə imkan verir. Bunun üçün mikroskop iynəsində CO və ya H2 də istifadə edə bilərsiniz.
Изображение 2S ucu CO ilə örtülmüş bir STM istifadə edərək əldə edilən bir şəkildir. Şəkillərin müqayisəsi А, В и С bütün atom elementlərinin iki qeyri-ekvivalent istiqamətə yönəldilmiş üç bitişik parlaq altıbucaqlı kimi müəyyən edildiyini göstərir (şəkillərdə qırmızı və sarı üçbucaqlar).
Bu ərazinin böyüdülmüş şəkilləri (2D) bu elementlərin üst-üstə qoyulmuş strukturların göstərdiyi kimi, iki qrafen alt qəfəsini tutan bor əlavəli çirkləri ilə uyğunlaşdığını təsdiqləyin.
Mikroskop iynəsinin CO ilə örtülməsi borofen təbəqəsinin həndəsi quruluşunu aşkar etməyə imkan verdi (2E), iynə CO örtüyü olmadan standart (metal) olsaydı, bu mümkün olmazdı.
Şəkil №3
Borofen və qrafen arasında yanal heterointerfeyslərin əmələ gəlməsi (3A) borofen artıq bor ehtiva edən qrafen domenlərinin yanında böyüdükdə baş verməlidir.
Alimlər xatırladırlar ki, qrafen-hBN (qrafen + bor nitridi) əsasında yanal heterointerfeyslər qəfəs konsistensiyasına, keçid metalı dikalkogenidlərinə əsaslanan heteroqovşaqlar isə simmetriya konsistensiyasına malikdir. Qrafen/borofen vəziyyətində vəziyyət bir qədər fərqlidir - onlar şəbəkə sabitləri və ya kristal simmetriya baxımından minimal struktur oxşarlığa malikdirlər. Bununla belə, buna baxmayaraq, yanal qrafen/borofen heterointerfeys demək olar ki, mükəmməl atomik uyğunluq nümayiş etdirir, bor cərgəsi (B cərgəsi) istiqamətləri qrafenin ziqzaq (ZZ) istiqamətləri ilə üst-üstə düşür.3A). Aktiv 3V heterointerfeysin ZZ bölgəsinin böyüdülmüş təsviri göstərilir (mavi xətlər bor-karbon kovalent bağlarına uyğun gələn interfasial elementləri göstərir).
Borofen qrafenlə müqayisədə daha aşağı temperaturda böyüdüyündən, borofenlə heterointerfeys əmələ gətirərkən qrafen sahəsinin kənarlarının yüksək hərəkətlilik ehtimalı azdır. Buna görə də, demək olar ki, atomik olaraq dəqiq heterointerfeys, çox güman ki, müxtəlif konfiqurasiyaların və çoxlu bor bağlarının xüsusiyyətlərinin nəticəsidir. Skanlanan tunel spektroskopiya spektrləri (3S) və diferensial tunel keçiriciliyi (3D) qrafendən borofene elektron keçidin görünən interfeys vəziyyətləri olmadan ~5 Å məsafədə baş verdiyini göstərir.
Şəkil üzərində 3E Göstərilənlər 3D-də üç kəsikli xətt boyunca çəkilmiş üç skan edən tunel spektroskopiyası spektrləridir ki, bu da bu qısa elektron keçidin yerli interfasial strukturlara həssas olmadığını və borofen-gümüş interfeyslərindəki ilə müqayisə oluna biləcəyini təsdiqləyir.
Şəkil №4
Qrafen interkalasiya* əvvəllər də geniş şəkildə öyrənilmişdir, lakin interkalantların həqiqi 2D vərəqlərə çevrilməsi nisbətən nadirdir.
İnterkalasiya* - bir molekulun və ya molekullar qrupunun digər molekullar və ya molekullar qrupları arasında geri çevrilən daxil edilməsi.
Borun kiçik atom radiusu və qrafen ilə Ag(111) arasındakı zəif qarşılıqlı əlaqə qrafenin borla mümkün interkalasiyasını göstərir. Şəkildə 4A sübutlar təkcə bor interkalasiyası deyil, həm də şaquli borofen-qrafen heterostrukturlarının, xüsusən də qrafenlə əhatə olunmuş üçbucaqlı domenlərin əmələ gəlməsini göstərir. Bu üçbucaqlı domendə müşahidə edilən pətək şəbəkəsi qrafenin varlığını təsdiqləyir. Bununla belə, bu qrafen ətrafdakı qrafenlə müqayisədə -50 meV-də daha aşağı yerli vəziyyət sıxlığı nümayiş etdirir (4V). Birbaşa Ag(111) üzərindəki qrafenlə müqayisədə, spektrdə yüksək yerli ştat sıxlığına dair heç bir dəlil yoxdur. dI/dV (4C, Ag(111) səth vəziyyətinə uyğun gələn mavi əyri bor interkalasiyasının ilk sübutudur.
Həmçinin, qismən interkalasiya üçün gözlənildiyi kimi, qrafen şəbəkəsi qrafen və üçbucaqlı bölgə arasındakı yanal interfeys boyunca davamlı olaraq qalır (4D - üzərindəki düzbucaqlı sahəyə uyğundur 4A, qırmızı nöqtəli xətt ilə dairəvi). Mikroskop iynəsi üzərində CO istifadə edilən bir şəkil də bor əvəzedici çirklərin mövcudluğunu təsdiqlədi (4E - üzərindəki düzbucaqlı sahəyə uyğundur 4A, sarı nöqtəli xətt ilə dairəvi).
Təhlil zamanı heç bir örtüyü olmayan mikroskop iynələrindən də istifadə edilmişdir. Bu halda interkalasiya olunmuş qrafen domenlərində dövriliyi 5 Å olan birölçülü xətti elementlərin əlamətləri aşkar edilmişdir (4F и 4G). Bu birölçülü strukturlar borofen modelindəki bor sıralarına bənzəyir. Qrafenə uyğun nöqtələr dəstinə əlavə olaraq, Furye təsviri çevirir 4G 3 Å x 5 Å düzbucaqlı qəfəsə uyğun gələn bir cüt ortoqonal nöqtəni göstərir (4H), borofen modeli ilə əla uyğundur. Bundan əlavə, xətti elementlər massivinin müşahidə olunan üçlü oriyentasiyası (1E) borofen təbəqələri üçün müşahidə edilən eyni üstünlük təşkil edən strukturla yaxşı uyğunlaşır.
Bütün bu müşahidələr qrafenin Ag kənarlarına yaxın borofenlə interkalasiyasını güclü şəkildə göstərir ki, bu da nəticədə qrafenin ilkin əhatə dairəsini artırmaqla şaquli borofen-qrafen heterostrukturlarının əmələ gəlməsinə gətirib çıxarır.
4I üzərində şaquli heterostrukturun sxematik təsviridir 4H, burada bor cərgəsinin istiqaməti (çəhrayı ox) qrafenin ziqzaq istiqaməti (qara ox) ilə sıx uyğunlaşdırılır və bununla da fırlanma ilə mütənasib şaquli heterostruktur əmələ gəlir.
Tədqiqatın nüansları ilə daha ətraflı tanış olmaq üçün baxmağı məsləhət görürəm и ona.
Epiloq
Bu tədqiqat borofenin qrafenlə yanal və şaquli heterostrukturlar əmələ gətirmək qabiliyyətinə malik olduğunu göstərdi. Belə sistemlərdən nanotexnologiyada, elastik və geyilə bilən elektronikada istifadə edilən yeni tipli ikiölçülü elementlərin, həmçinin yarımkeçiricilərin yeni növlərinin işlənib hazırlanmasında istifadə oluna bilər.
Tədqiqatçıların özləri hesab edirlər ki, onların inkişafı elektronika ilə əlaqəli texnologiyalar üçün güclü təkan ola bilər. Lakin onların sözlərinin peyğəmbərliyə çevriləcəyini dəqiq söyləmək hələ də çətindir. Hazırda alimlərin zehnini dolduran o elmi-fantastik ideyaların tam reallığa çevrilməsi üçün hələ araşdırılmalı, başa düşülməli və icad edilməli çox şey var.
Oxuduğunuz üçün təşəkkür edirik, maraqlı qalın və gözəl həftə keçirin uşaqlar. 🙂
Bizimlə qaldığınız üçün təşəkkür edirik. Məqalələrimiz xoşunuza gəlirmi? Daha maraqlı məzmun görmək istəyirsiniz? Sifariş verməklə və ya dostlarınıza tövsiyə etməklə bizə dəstək olun, Bizim tərəfimizdən sizin üçün ixtira edilmiş giriş səviyyəli serverlərin unikal analoquna Habr istifadəçiləri üçün 30% endirim: (RAID1 və RAID10, 24 nüvəyə qədər və 40 GB DDR4 ilə mövcuddur).
Dell R730xd 2 dəfə ucuzdur? Yalnız burada Hollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! haqqında oxuyun
Mənbə: www.habr.com