«Мутацыя - гэта ключ да разгадкі таямніцы эвалюцыі. Шлях развіцця ад найпрасцейшага арганізма да пануючага біялагічнага віду доўжыцца тысячагоддзямі. Але праз кожную сотню тысяч гадоў у эвалюцыі адбываецца рэзкі скачок наперад» (Чарльз Ксаўе, Людзі Ікс, 2000 год). Калі адкінуць усе элементы навуковай фантастыкі, якія прысутнічаюць у коміксах і фільмах, то словы прафесара X цалкам слушныя. Часцей за ўсё развіццё чаго-небудзь ідзе раўнамерна, але часам бываюць скокі, якія моцна ўплываюць на ўвесь працэс. Гэта датычыцца не толькі эвалюцыі відаў, але і да эвалюцыі тэхналогій, галоўным кіроўцам якога з'яўляюцца людзі, іх даследаванні і вынаходкі. Сёння мы пазнаёмімся з даследаваннем, якое, на думку яго аўтараў, з'яўляецца сапраўдным эвалюцыйным скачком у нанатэхналогіях. Як навукоўцам з Паўночна-Заходняга універсітэта (ЗША) атрымалася стварыць новую двухмерную гетэраструктуру, чаму графен і борофен былі абраны ў якасці асновы, і якія ўласцівасці могуць мець такая сістэма? Пра гэта раскажа справаздача даследчай групы. Ідзі.
Аснова даследавання
Мы шмат разоў чулі тэрмін «графен», гэта двухмерная мадыфікацыя вугляроду, якая складаецца з пласта атамаў вугляроду таўшчынёй у 1 атам. А вось Борофен сустракаецца вельмі рэдка. Гэты тэрмін абазначае двухмерны крышталь, які складаецца выключна з атамаў бора (У). Впервые возможность существования борофена была предсказана еще в середине 90-ых, но вот на практике получить данную структуру удалось лишь к 2015 году.
Атамная структура барафена складаецца з трохкутных і гексагональных элементаў і з'яўляецца следствам узаемадзеяння паміж двухцэнтравымі і шматцэнтравымі ўнутрыплоскаснымі сувязямі, што вельмі характэрна для элементаў з дэфіцытам электронаў, да якіх і адносіцца бор.
*Пад двухцэнтравых і шматцэнтравых сувязяў маюцца на ўвазе хімічныя сувязі - узаемадзеяння атамаў, якія характарызуюць устойлівасць малекулы або крышталя як адзінай структуры. Да прыкладу, двухцэнтравая двухэлектронная сувязь узнікае, калі 2 атама дзеляць паміж сабой 2 электрона, а двухцэнтравая трохэлектронная - 2 атама і 3 электрона і г.д.
З фізічнага пункту гледжання, борафен можа быць больш трывалым і гнуткім, у параўнанні з графена. Лічыцца таксама, што борофеновые структуры могуць быць эфектыўным дадаткам для батарэй, таму што борофен мае высокую ўдзельную ёмістасць і унікальную электронную праводнасць і ўласцівасці транспарту іёнаў. Аднак на дадзены момант гэта толькі тэорыя.
будучы трохвалентным элементам*, бор мае па меншай меры 10 алатропаў*. У двухмернай форме падобны палімарфізм* таксама назіраецца.
Трохвалентны элемент* здольны ўтвараць тры кавалентныя сувязі, валентнасць якіх роўна тром.
Алатрапія* - калі адзін хімічны элемент можа быць прадстаўлены ў выглядзе двух і больш простых рэчываў. Як прыклад, вуглярод - алмаз, графен, графіт, вугляродныя нанатрубкі і г.д.
Палімарфізм* — способность вещества существовать в разных кристаллических структурах (полиморфных модификациях). У выпадку простых рэчываў гэты тэрмін з'яўляецца сінонімам алатрапіі.
Улічваючы гэтак шырокі палімарфізм, узнікае здагадка, што борофен можа стаць выдатным кандыдатам для стварэння новых двухмерных гетэраструктур, бо розныя канфігурацыі сувязяў бора павінны саслабляць патрабаванні да ўзгаднення крышталічнай рашоткі. К сожалению, ранее этот вопрос исследовался исключительно на теоретическом уровне из-за сложностей в синтезе.
Для звычайных 2D-матэрыялаў, атрыманых з аб'ёмных слаістай крышталяў, вертыкальныя гетэраструктуры могуць быць рэалізаваны з дапамогай механічнага складання. З іншага боку, двухмерныя бакавыя гетэраструктуры заснаваныя на сінтэзе знізу ўверх. Атамна дакладныя бакавыя гетэраструктуры маюць вялікі патэнцыял у вырашэнні функцыянальных праблем функцыянальнага кантролю, аднак з -за кавалентнай сувязі, недасканалай рашоткі, звычайна прыводзіць да шырокіх і неўпарадкаваных інтэрфейсаў. Таму патэнцыял ёсць, але ёсць і праблемы з яго рэалізацыяй.
У дадзенай працы даследчыкам удалося інтэграваць барафен і графен у адну двухмерную гетэраструктуру. Нягледзячы на неадпаведнасць крышталаграфічных рашотак і сіметрыі паміж борофеном і графеном, паслядоўнае асаджэнне вугляроду і бору на падкладку з Ag (111) у звышвысокім вакууме (СВВ) прыводзіць да амаль атамна-дакладным латэральных гетэраінтэрфейсаў з прагназуемым выраўноўваннямі рашоткамі.
Падрыхтоўка да даследавання
Перш чым вывучаць гетэраструктуру, яе трэба было вырабіць. Вырошчванне графена і борофена ажыццяўлялася ў камеры звышвысокага вакууму з ціскам 1x10-10 мільёнаў.
Монакрышталічная падкладка Ag(111) была ачышчана паўторнымі цыкламі распылення Ar+ (1 х 10-5 мілібар, 800 эВ, 30 хвілін) і тэрмічнага адпалу (550 °C, 45 хвілін), каб атрымаць атамарна чысты і плоскі Ag( 111) паверхню..
Графен вырошчвалі электронна-прамянёвым выпарэннем чыстага (99,997%) графітавага стрыжня дыяметрам 2.0 мм на нагрэтай да 750 °C падкладцы Ag (111) пры току нагрэву ~ 1.6 А і паскаральным напрузе ~ 2 кВ. , што дае ток эмісіі ~ 70 мА і паток вугляроду ~ 40 нА. Ціск у камеры быў 1 х 10-9 миллибар.
Вырошчванне барафена ажыццяўлялася з дапамогай электронна-прамянёвага выпарэння чыстага (99,9999%) борнага стрыжня на нагрэты да 400-500 ° С субманаслаёвы графен на Ag (111). Ток напалу склаў ~ 1.5 А, а якое паскарае напругу 1.75 кв, што дае ток эмісіі ~ 34 ма і струмень бору ~ 10 на. Ціск у камеры падчас вырошчвання барафена было прыкладна 2 х 10/10 мілібар.
вынікі даследавання
Выява №1
На малюнку 1А паказаны СТМ* Выява вырашчанага грофена, дзе дамены графена лепш за ўсё візуалізаваць з дапамогай карты dI/dV (1В), Дзе I и V - тунэльны ток і зрушэнне ўзору, а d - Шчыльнасць.
СТМ* - сканавальны тунэльны мікраскоп.
dI/dV Узоры карт дазволілі ўбачыць больш высокую лакальную шчыльнасць графена ў параўнанні з падкладкай AG (111). У адпаведнасці з папярэднімі даследаваннямі, павярхоўны стан Ag (111) мае ступеністую характарыстыку, зрушаную ў бок дадатных энергій на dI/dV спектры графена (1С), што тлумачыць больш высокую лакальную шчыльнасць станаў графена на 1В пры 0.3 эВ.
На малюнку 1D мы можа бачыць структуру аднаслаёвага графена, дзе выразна бачная сотавая рашотка і муаровая звышструктура*.
Надбудова* - Асаблівасць структуры крышталічнага злучэння, якая паўтараецца з пэўным інтэрвалам і стварае такім чынам новую структуру з іншым перыядам чаргавання.
Муар* - Накладанне двух перыядычных сеткаватых малюнкаў адзін на аднаго.
Пры ніжэйшых тэмпературах рост прыводзіць да адукацыі дендритных і дэфектных графенавых даменаў. З-за слабых узаемадзеянняў паміж графена і ніжэйлеглым субстратам вярчальнае выраўноўванне графена адносна ніжэйлеглага Ag (111) не з'яўляецца унікальным.
Пасля адкладу бору сканіравала тунэльную мікраскапію (1E) паказаў наяўнасць камбінацыі даменаў борофена і графена. Таксама на здымку бачныя вобласці ўнутры графена, якія пазней былі вызначаны як інтэркаліраваны барафенам графен (пазначаны на здымку гр/б). У гэтай вобласці лінейныя элементы, арыентаваныя ў трох напрамках і аддзяляюцца пад вуглом 120 ° (жоўтыя стрэлкі), таксама добра бачныя.
Выява №2
Здымак на 2А, Як і 1E, пацвярджаюць з'яўленне лакалізаваных цёмных паглыбленняў у графене пасля асаджэння бору.
Каб лепш разгледзець гэтыя адукацыі і высветліць іх паходжанне быў зроблены яшчэ адзін здымак той жа вобласці, але з ужываннем карт | dlnI/DZ | (2В), где I — тунэльны ток, d з'яўляецца шчыльнасць, і z - Падзел зонд-узор (зазор паміж іголкай мікраскопа і ўзорам). Ужыванне дадзенай методыкі дазваляе атрымаць выявы з вялікім прасторавым дазволам. Таксама для гэтага можна ўжыць CO ці H2 на іголцы мікраскопа.
Малюнак 2С Гэта здымак, атрыманы з дапамогай СТМ, іголка якога была пакрыта CO. Параўнанне малюнкаў А, В и С паказвае, што ўсе атамарныя элементы вызначаюцца як тры суседніх яркіх шасцікутнік, накіраваных у два неэквівалентныя напрамкі (чырвоныя і жоўтыя трыкутнікі на здымках).
Павялічаныя выявы гэтай галіне (2D) пацвярджаюць, што гэтыя элементы знаходзяцца ў згодзе з легіруючымі прымешкамі бора, якія займаюць дзве подрешетки графена, на што паказваюць і накладзеныя структуры.
Пакрыццё іголкі мікраскопа CO дазволіла выявіць геаметрычную структуру борафенавага ліста (2E), што было б немагчыма, калі б іголка была стандартная (металічная) без пакрыцця СА.
Выява №3
Фарміраванне бакавых гетэраграніц паміж барафенам і графенам (3А) павінна адбывацца ў выпадку, калі борофен расце побач з даменамі графена, у якім ужо маецца бор.
Навукоўцы нагадваюць, што латэральныя гетэраінтэрфейсы на базе графен-hBN (графен + нітрыд бора) валодаюць узгодненасцю рашотак, а гетэрапераходы на аснове дыхалькагенідаў пераходных металаў – узгодненасцю сіметрый. У выпадку з графенам/борофенам сітуацыя крыху іншая - яны маюць мінімальнае структурнае падабенства з пункту гледжання канстант кратаў або крышталічнай сіметрыі. Однако, несмотря на это, латеральный гетероинтерфейс графен/борофен демонстрирует практически идеальную атомарную согласованность, причем направления ряда бора (В-row) совмещены с зигзагообразными (ZZ) направлениями графена (3А). На 3В Паказана пашыранае малюнак інтэрфейсу ZZ Heteroro (з дапамогай сініх ліній, міжфазных элементаў, якія адпавядаюць кавалентным сувязям Boros-Carbon).
Паколькі рост барафена ажыццяўляецца пры ніжэйшай тэмпературы ў параўнанні з графенам, боку графенавага дамена ці наўрад будуць мець высокую рухомасць пры адукацыі гетэраінтэрфейсу з борофеном. Такім чынам, амаль атамарна дакладны гетэраінтэрфейс, верагодна, з'яўляецца вынікам розных канфігурацый і характарыстык шматцэнтравых сувязяў бора. Спектры сканавальнай тунэльнай спектраскапіі (3С) і дыферэнцыяльная тунэльная праводнасць (3D) Пакажыце, што электронны пераход ад графена да борофена адбываецца на адлегласці ~ 5 Å без бачных станаў інтэрфейсу.
На малюнку 3E Тры спектры сканіруючай тунэльнай спектраскапіі, зробленыя ўздоўж трох пункцірных ліній на 3D, якія пацвярджаюць, што гэты кароткі электронны пераход неадчувальны да лакальных міжфазных структур, і параўноўваюць з аналагічнымі межамі Борофена-Серабра.
Выява №4
Графенавая інтэркаляцыя* раней таксама шырока даследавалася, аднак пераўтварэнне інтэркалантаў у сапраўдныя 2D-лісты з'яўляецца адносна рэдкай з'явай.
Інтэркаляцыя* - Зварачальнае ўключэнне малекулы або групы малекул паміж іншымі малекуламі або групамі малекул.
Невялікі атамны радыус бора і слабое ўзаемадзеянне паміж графена і Ag (111) дазваляюць выказаць здагадку магчымую інтэркаляцыю графена з борам. На малюнку 4А прадстаўлены доказы не толькі інтэркаляцыі бора, але і фарміравання вертыкальных борафен-графеновых гетэраструктур, асабліва трохкутных даменаў, акружаных графена. Сотавая рашотка, назіраная на гэтым трохкутным дамене, пацвярджае наяўнасць графена. Аднак, дадзены графен дэманструе больш нізкую лакальную шчыльнасць станаў пры -50 МЭВ у параўнанні з навакольным графена (4В). У параўнанні з графенам непасрэдна на Ag(111), няма доказаў высокай лакальнай шчыльнасці станаў у спектры dI/dV (4C, сіняя крывая), якія адпавядаюць павярхоўнаму стану Ag (111), з'яўляецца першым доказам інтэркаляцыі бора.
Акрамя таго, як і чакалася для частковага інтэркаравання, графенавая рашотка застаецца бесперапыннай па ўсёй бакавой мяжы паміж графенам і трохкутнай вобласцю (4D - Адпавядае прастакутнай вобласці на 4А, абведзенай чырвоным пункцірам). Выява з выкарыстаннем CO на іголцы мікраскопа таксама пацвердзіла наяўнасць замяшчальных прымешак бору (4E - Адпавядае прастакутнай вобласці на 4А, абведзены жоўтым пункцірам).
Во время анализа также применялись иглы микроскопа без какого-либо покрытия. Пры гэтым у интеркалированных графеновых даменах былі выяўлены прыкметы аднамерных лінейных элементаў з перыядычнасцю 5 Å (4F и 4G). Гэтыя аднамерныя структуры нагадваюць шэрагі бору ў мадэлі барафену. У дадатак да набору кропак, адпаведных графену, пераўтварэнне Фур'е малюнка 4G адлюстроўвае пару артаганальных кропак, якія адпавядаюць прамавугольнай рашотцы 3 Å х 5 Å (4Н), што выдатна адпавядае мадэллю барафена. Да таго ж, назіраная трайная арыентацыя рашоткі лінейных элементаў (1E) добра ўзгадняецца з той жа пераважнай структурай, якая назіраецца для борофеновых лістоў.
Усе гэтыя назіранні настойліва сведчаць аб узаемадзеянні графена па борофена каля краёў АГ, што, такім чынам, прыводзіць да фарміравання гетэраструктуры вертыкальнага борофена -графена, што можа быць выгадна рэалізавана за кошт павелічэння першапачатковага асвятлення графена.
4I з'яўляецца схематычным прадстаўленнем вертыкальнай гетэраструктуры на 4H, дзе кірунак шэрагу бора (ружовая стрэлка) блізка выраўнавана з зігзагападобным кірункам графена (чорная стрэлка), такім чынам утворачы круцільна-суразмерную вертыкальную гетэраструктуру.
Для больш дэталёвага азнаямлення з нюансамі даследавання рэкамендую зазірнуць у и да яго.
Эпілог
Гэта даследаванне паказала, што Борофен цалкам здольны фармаваць бакавыя і вертыкальныя гетероструктуры з графеном. Такія сістэмы могуць быць выкарыстаны пры распрацоўцы новых тыпаў двухмерных элементаў, якія выкарыстоўваюцца ў нанатэхналогіях, гнуткай і носнай электроніцы, а таксама новых тыпаў паўправаднікоў.
Самі даследнікі лічаць, што іх распрацоўка можа стаць магутным штуршком наперад для тэхналогій, злучаных з электронікай. Аднак сказаць напэўна, што іх словы стануць прароцкімі, пакуль складана. На дадзены момант яшчэ шмат чаго трэба даследаваць, зразумець і вынайсці, каб тыя навукова-фантастычныя ідэі, якімі поўніцца розумы навукоўцаў, сталі паўнавартаснай рэальнасцю.
Дзякую за ўвагу, заставайцеся цікаўнымі і добрай усім працоўнага тыдня, хлопцы. 🙂
Дзякуй, што застаяцеся з намі. Вам падабаюцца нашыя артыкулы? Жадаеце бачыць больш цікавых матэрыялаў? Падтрымайце нас, аформіўшы замову ці парэкамендаваўшы знаёмым, 30% зніжка для карыстальнікаў Хабра на ўнікальны аналаг entry-level сервераў, які быў прыдуманы намі для Вас: (даступныя варыянты з RAID1 і RAID10, да 24 ядраў і да 40GB DDR4).
Dell R730xd у 2 разы танней? Толькі ў нас у Нідэрландах! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – ад $99! Чытайце аб тым
Крыніца: habr.com