«Мутацията е ключът към разгадката на тайната на еволюцията. Пътят на развитие от най-простия организъм до доминиращия биологичен вид продължава хиляди години. Но на всеки стотици хиляди години в еволюцията настъпва рязък скок напред» (Чарлз Ксавие, X-Men, 2000 година). Ако игнорираме всички научно-фантастични елементи, присъстващи в комиксите и филмите, то думите на професор Икс са напълно верни. Развитието на нещо протича равномерно през по-голямата част от времето, но понякога се появяват скокове, които оказват огромно влияние на целия процес. Това важи не само за еволюцията на видовете, но и за еволюцията на технологиите, основният двигател на които са хората, техните изследвания и изобретения. Днес ще се запознаем с изследване, което според авторите си е истински еволюционен скок в нанотехнологиите. Как учените от Северозападния университет (САЩ) успяха да създадат нова двумерна хетероструктура, защо като основа бяха избрани графен и борофен, и какви свойства може да притежава подобна система? За това ще ни разкаже докладът на изследователската група. Да започнем.
Основата на изследването
Терминът «графен» вече сме чували много пъти — това е двумерна модификация на въглерода, състояща се от слой атоми на въглерода с дебелина 1 атом. А терминът «борофен» среща много рядко. Той обозначава двумерен кристал, състоящ се изцяло от атоми на бора (B). Възможността за съществуването на борофен за първи път беше предсказана още в средата на 90-те години, но на практика успяхме да получим тази структура едва през 2015 година.
Атомната структура на борофена се състои от триъгълни и хексагонални елементи и е следствие от взаимодействия между двуцентрови и многоцентрови вътре-плоскостни връзки, което е много характерно за елементите с недостиг на електрони, какъвто е бор.
*Под двуцентровите и многоцентровите връзки се разбират химически връзки — взаимодействия между атоми, които определят стабилността на молекулата или кристала като единна структура. Например, двуцентровата двуелектронна връзка възниква, когато 2 атома споделят 2 електрона, а двуцентровата треялектронна връзка — 2 атома и 3 електрона и т.н.
От физическа гледна точка, борофенът може да бъде по-издръжлив и еластичен в сравнение с графена. Считам се, че борофеновите структури могат да бъдат ефективно допълнение за батерии, тъй като борофенът притежава висока обемна капацитет и уникални свойства на електронна проводимост и пренос на йони. Въпреки това, в момента това е само теория.
Бъдейки тривалентен елемент*, борът има поне 10 аллотропи*. В двумерната форма подобен полиморфизъм* също се наблюдава.
Тривалентен елемент* може да образува три ковалентни връзки, валентността на които е равна на три.
Аллотропия* — когато един химичен елемент може да бъде представен под формата на две и повече прости вещества. Например, въглерод — диамант, графен, графит, въглеродни нанотръби и т.н.
Полиморфизъм* — способността на веществото да съществува в различни кристални структури (полиморфни модификации). В случай на прости вещества, този термин е синоним на аллотропия.
С оглед на такъв широк полиморфизъм, се предполага, че борофенът може да стане отличен кандидат за създаване на нови двумерни хетероструктури, тъй като различните конфигурации на борова връзка трябва да отслабят изискванията за съгласуване на кристалната решетка. За съжаление, този въпрос преди е бил изследван изключително на теоретично ниво поради сложността на синтеза.
За обикновените 2D материали, получени от обемисти слоести кристали, вертикалните хетероструктури могат да бъдат реализирани чрез механично полагане. От друга страна, двумерните латерални хетероструктури се основават на възходящ синтез. Атомно точните латерални хетероструктури имат голям потенциал в решаването на проблеми с контрола на функционалните възможности на хетеропрехода, но поради ковалентната връзка, несъвършеното съгласуване на решетката обикновено води до широки и неупорядочени интерфейси. Следователно, потенциалът съществува, но има и проблеми с неговата реализация.
В настоящото проучване изследователите успяха да интегрират боровен и графен в една двумерна хетероструктура. Въпреки несъответствието в кристалографските решетки и симметрията между боковен и графен, последователното нанасяне на въглерод и бор върху подложка от Ag(111) в свръхвисок вакуум (СВВ) води до почти атомно-точни латерални хетероинтерфейси с предсказуемо подравняване на решетката, както и до вертикални хетероинтерфейси.
Подготовка за изследването
Преди изследването на хетероструктурата, тя трябваше да бъде създадена. Растежът на графен и боровен се осъществяваше в камера за свръхвисок вакуум при налягане 1х10-10 милибара.
Монокристалната подложка Ag(111) беше почистена чрез повторни цикли на разпръскване Ar+(1 х 10-5 милибара, енергия 800 еВ, 30 минути) и термично отгряване (550 °C, 45 минути) до получаване на атомно-чиста и плоска повърхност Ag(111).
Растежът на графена се осъществяваше чрез електронно-лъчево изпарение на чист (99,997%) графитов прът с диаметър 2.0 мм на загрята до 750 °C подложка Ag(111) при ток на нажеждаване ~ 1.6 А и ускорително напрежение ~ 2 кВ, което дава ток на емисия ~ 70 мА и поток на въглерод ~ 40 нА. Налягането в камерата беше 1 х 10-9 милибара.
Растежът на борофена се осъществяваше чрез електронно-лъчево изпарение на чист (99,9999%) борен прът на загрят до 400-500 °C субмонослоен графен на Ag(111). Токът на нажеждаване беше ~ 1.5 А, а ускорителното напрежение 1.75 кВ, което дава ток на емисия ~ 34 мА и поток на бор ~ 10 нА. Налягането в камерата по време на растежа на борофена бе около 2 х 10-10 милибара.
Резултати от изследването
Изображение №1
На изображението 1А бъде показан СТМ* снимка на растения графен, където графеновите домени се визуализират най-добре с помощта на карта dI/dV (1В), където I и V — тунелен ток и изместване на пробата, а d — плътност.
СТМ* — сканиращ тунелен микроскоп.
dI/dV картите на пробата показаха по-висока локална плътност на състоянията на графена в сравнение с подложката Ag(111). В съответствие с предходни изследвания, повърхностното състояние на Ag(111) има стъпаловидна характеристика, изместена към положителни енергии на dI/dV спектъра на графена (1С), което обяснява по-високата локална плътност на състоянията на графена на 1В при 0.3 еВ.
На изображението 1D можем да наблюдаваме структурата на еднослойния графен, където ясно се вижда шестоъгълната решетка и муарова свръхструктура*.
Свръхструктура* — особеност на структурата на кристалното съединение, която се повтаря с определен интервал и така създава нова структура с различен период на редуване.
Муар* — наслагане на два периодични мрежови модела един върху друг.
При по-ниски температури растежът води до образуване на дендритни и дефектни графенови домени. Поради слабите взаимодействия между графена и подлежащия субстрат, въртящото подравняване на графена спрямо подлежащото Ag (111) не е уникално.
След наслояването на бор, сканиращата тунелна микроскопия (1Е) показа присъствието на съединения между борофенови и графенови домени. На снимката също са видими области в графена, които по-късно бяха определени като интеркалиран графен с борофен (обозначена на снимката Gr/B). В тези области също така са ясно видими линейни елементи, ориентирани в три направления и разделени под ъгъл от 120 ° (жълти стрелки).
Изображение №2
Снимката на 2А, както и 1Е, потвърдиха появата на локализирани тъмни депресии в графена след наслояването на бор.
За да се видят по-добре тези образувания и да се установи произходът им, беше направена още една снимка на същата област, но с прилагане на карти |dlnI/dz| (2В), где I — тунелен ток, d — плътност, а z — разделение между сонда и проба (разстояние между иглата на микроскопа и пробата). Прилагането на този метод позволява получаването на изображения с висока пространствена разделителна способност. Също така за това може да се приложи CO или H2 на иглата на микроскопа.
Изображението 2С е снимка, получена с помощта на СТМ, иглата на който е била покрита с CO. Сравнението на снимките И, В и С показва, че всички атомарни елементи са определени като три съседни ярки шестоъгълници, ориентирани в две нееквивалентни посоки (червени и жълти триъгълници на снимките).
Увеличените изображения на тази област (2D) потвърдиха, че тези елементи са в съответствие с легиращите примеси на бор, които заемат две подрешетки на графена, на което сочат и наслагваните структури.
Покритие от CO на иглата на микроскопа позволи да се открие геометричната структура на листа от борофен (2Е), което би било невъзможно, ако иглата беше стандартна (метална) без покритие от CO.
Изображение №3
Формирането на латерални хетероинтерфейси между борофена и графена (3А) трябва да се случи в случай, че борофенът расте в близост до графеновите домейни, в които вече има бор.
Учени напомнят, че латералните хетероинтерфейси на базата на графен-hBN (графен + борен нитрид) имат съгласуваност в решетките, а хетеропреходите на основата на дихалкогениди на преходни метали — съгласуваност на симетрията. В случая с графена/борофена ситуацията е малко по-различна — те имат минимално структурно сходство с оглед на постоянните решетки или кристалната симетрия. Въпреки това, латералният хетероинтерфейс графен/борофен демонстрира практически идеална атомарна съгласуваност, като посоките на реда на бор (В-row) са съвпаднали с зигзагообразните (ZZ) посоки на графена (3А). На 3В показано е увеличено изображение на областта ZZ на хетероинтерфейса (сините линии отбелязват междинните елементи, съответстващи на борно-углеродните ковалентни връзки).
Тъй като растежът на борофена се осъществява при по-ниска температура в сравнение с графена, краищата на графеновия домейн едва ли ще имат висока подвижност при образуването на хетероинтерфейса с борофена. Следователно, почти атомарно точният хетероинтерфейс вероятно е резултат от различни конфигурации и характеристики на многоцентровите връзки на бор. Спектрите на сканиращата тунелна спектроскопия (3С) и диференциалната тунелна проводимост (3D) показват, че електронният преход от графена към борофена се осъществява на разстояние ~ 5 Å без видими състояния на интерфейса.
На изображението 3Е показани са три спектра на сканиращата тунелна спектроскопия, направени по дължината на трите пунктирни линии на 3D, които потвърдили, че този кратък електронен преход не е чувствителен към местни междинни структури и е сравним с подобен на границите борофен-сребро.
Изображение №4
Графеновата интеркалация* по-рано също е била широко изследвана, обаче трансформацията на интеркаланти в истински 2D листове е относително рядък феномен.
Интеркалация* — обратимо включване на молекула или група молекули между други молекули или групи молекули.
Малкият атомен радиус на бор и слабото взаимодействие между графена и Ag (111) дават основание да се предположи възможната интеркалация на графен с бор. На изображението 4А представени са доказателства не само за интеркалация на бор, но и за формирането на вертикални борофен-графенови хетероструктури, особено триъгълни домейни, заобиколени от графен. Решетката, наблюдавана на този триъгълен домейн, потвърджава наличието на графен. Въпреки това, този графен показва по-ниска локална плътност на състоянията при -50 меВ в сравнение с околния графен (4В). В сравнение с графена, разположен директно на Ag (111), липсата на признаци на висока локална плътност на състоянията в спектъра dI/dV (4C, синята крива), съответстваща на повърхностното състояние Ag (111), е първото доказателство за интеркалация на бор.
Както се очакваше за частична интеркалация, графеновата решетка остава непрекъсната по цялата латерална интерфейсна област между графена и триъгълната област (4D — съответства на правоъгълната област на 4А, обведена с червена пунктирна линия). Снимка, направена с помощта на СО на иглата на микроскопа, също потвърди наличието на заменящи примеси от бор (4E — съответства на правоъгълната област на 4А, обведена с жълта пунктирна линия).
По време на анализа също бяха използвани игли на микроскопа без никакво покритие. В такъв случай в интеркалираните графенови домейни бяха открити признаци на одномерни линейни елементи с периодичност от 5 Å (4F и 4G). Тези одномерни структури наподобяват редици от бор в модела на борофена. В допълнение към набора точки, съответстващи на графена, преобразуването на Фурие на снимката на 4G показва двойка ортогонални точки, съответстващи на правоъгълната решетка 3 Å х 5 Å (4Н), което отлично съвпада с модела на борофена. От друга страна, наблюдаваната тройна ориентация на решетката на линейните елементи (1Е) доближава същата преобладаваща структура, наблюдавана за листовете борофен.
Всички тези наблюдения убедително доказват интеркалацията на графена с борофен близо до ръбовете на Ag, което следователно води до образуването на вертикални хетероструктури борофен-графен, които могат да бъдат основно реализирани чрез увеличаване на началното покритие на графена.
4I е схемно представяне на вертикалната хетероструктура на 4H, където посоката на реда на бор (розова стрелка) е близо изравнена с зигзагообразната посока на графена (черна стрелка), създавайки по този начин въртяща се вертикална хетероструктура.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Това изследване показа, че борофенът е напълно способен да образува латерални и вертикални хетероструктури с графен. Подобни системи могат да бъдат използвани в разработването на нови типове двуизмерни елементи, които намират приложение в нанотехнологиите, гъвкавата и носима електроника, а също и в нови типове полупроводници.
Сами изследователите смятат, че тяхното откритие може да бъде мощен тласък напред за технологиите, свързани с електрониката. Въпреки това, трудно е да се каже със сигурност дали техните думи ще се окажат пророчески. В момента все още много остава за изследване, разбиране и измисляне, за да станат научно-фантастичните идеи, които заемат умовете на учените, пълноценна реалност.
Благодаря за вниманието, бъдете любопитни и желая на всички успешна работна седмица, момчета. 🙂
Благодарим ви, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да виждате повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра на уникален аналог на entry-level сървъри, който създадохме специално за вас: (с налични опции за RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd на половин цена? Всичко това само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от 99 $! Чете се за това
Източник: habr.com
