„Мутацията е ключът към разгадаването на мистерията на еволюцията. Пътят на развитие от най-простия организъм до доминиращия биологичен вид продължава хилядолетия. Но на всеки сто хиляди години в еволюцията настъпва рязък напредък“ (Чарлз Ксавиер, Х-мен, 2000 година). Ако отстраним 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 настъпват скокове, които оказват огромно влияние върху целия процес. Това важи не само за еволюцията на видовете, но и за еволюцията на технологиите, основен двигател на която са хората, техните изследвания и изобретения. Днес ще се запознаем с изследване, което, според авторите му, представлява истински еволюционен скок в нанотехнологиите. Как ученыте от Северозападния университет (САЩ) създадоха нова двумерна хетероструктура, защо графенът и борофенът бяха избрани за основа и какви свойства може да притежава подобна система? За това ще ни разкаже докладът на изследователската група. Да започваме.
Основи на изследването
Терминът „графен“ често сме чували — това е двумерна модификация на въглерода, състояща се от слой атоми на въглерода с дебелина 1 атом. Докато „борофен“ се среща изключително рядко. Този термин означава двумерен кристал, състоящ се единствено от атоми на бор (B). За пръв път възможността за съществуването на борофен беше предсказана още в средата на 90-те години, но на практика получаването на тази структура стана възможно само през 2015 година.
Атомната структура на борофена се състои от триъгълни и хексагонални елементи и е резултат от взаимодействие между двуцентрови и многополеви вътрешноплоскостни връзки, което е доста характерно за елементи с недостиг на електрони, какъвто е и борът.
*С под двуцентрови и многополеви връзки се разбира химическите връзки — взаимодействия между атоми, характеризиращи стабилността на молекулата или кристала като единна структура. Например, двуцентровата двуелектронна връзка възниква, когато 2 атома делят помежду си 2 електрона, а двуцентровата триелектронна — 2 атома и 3 електрона и т.н.
От физическата гледна точка, борофенът може да бъде по-здрав и гъвкав в сравнение с графен. Също така се смята, че борофеновите структури могат да бъдат ефективно допълнение за батерии, тъй като борофенът притежава висока специфична capacitance и уникални свойства на електронната проводимост и преноса на йони. Обаче в момента това е само теория.
Бъдайки трим valentен елемент*, борът има най-малко 10 аллотропа*. В двумерна форма подобен полиморфизъм* също така се наблюдава.
Трим valentен елемент* може да образува три ковалентни връзки, валентността на които е равна на три.
Аллотропия* — когато един химически елемент може да бъде представен под формата на две или 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 случая на прости вещества, този термин е синоним на аллотропия.
Като се отчитат толкова многобройните полиморфизми, може да се предположи, че борофенът може да стане отличен кандидат за създаване на нови двумерни хетероструктури, тъй като различните конфигурации на борните връзки трябва да облекчат изискванията за подравняване на кристалната решетка. За съжаление, преди този въпрос е бил изследван единствено на теоретично ниво заради трудностите при синтеза.
За обикновените 2D материали, получени от обемисти слоести кристали, вертикалните хетероструктури могат да бъдат реализирани чрез механично сглобяване. От своя страна, двумерните латерални хетероструктури се основават на възходящ синтез. Атомарно точните латерални хетероструктури имат голям потенциал в решаването на проблемите с контрола на функционалността на хетеропрехода, но поради ковалентната връзка несъвършеното подравняване на решетката обикновено води до широки и неупорядочени интерфейси. Следователно, потенциалът е наличен, но съществуват и проблеми в неговата реализация.
В това изследване изследователите успяха да интегрират борофен и графен в една двумерна хетероструктура. Въпреки разминаването в кристалографските решетки и симетрията между борофена и графена, последователното нанасяне на въглерод и бор върху подложка от Ag(111) в ултрависок вакуум (УВВ) води до почти атомно точни латерални хетероинтерфейси с предсказуемо подравняване на решетките, както и до вертикални хетероинтерфейси.
Подготовка за изследването
Преди изследването на хетероструктурата, тя трябваше да бъде изработена. Растежът на графена и борофена се извършваше в камера с ултрависок вакуум при налягане 1х10-10 милибара.
Монокристалната подложка Ag(111) беше почистена чрез повторни цикли на бомбардиране с Ar+(1 х 10-5 милибара, енергия 800 еВ, 30 минути) и термично отгряване (550 °C, 45 минути), докато се получи атомно чиста и плоска повърхност Ag(111).
Растежът на графена се извършваше чрез електронно-лъчева изпарение на чист (99,997%) графитен прът с диаметър 2.0 мм върху загрята до 750 °C подложка Ag (111) при ток на загряване ~ 1.6 A и ускорително напрежение около 2 kV, което дава емисионен ток ~ 70 mA и поток на въглерода ~ 40 nA. Налягането в камерата беше 1 х 10-9 милибара.
Растежът на борофена се извършваше посредством електронно-лъчева изпарение на чист (99,9999%) борен прът върху загрята до 400-500 °C субмонослойна графена на Ag (111). Токът на загряване беше ~ 1.5 A, а ускорителното напрежение 1.75 kV, което дава емисионен ток ~ 34 mA и поток на бора ~ 10 nA. Налягането в камерата по време на растежа на борофена беше приблизително 2 х 10-10 милибара.
Резултати от изследването
Изображение №1
На изображението 1А показан СТМ* снимка на израсналия графен, където графеновите домейни се визуализират най-добре чрез картата dI/dV (1В), където I и V — тунелен ток и отклонение на пробата, а d — плътност.
СТМ* — сканиращ тунелен микроскоп.
dI/dV картите на пробата позволиха да се види по-висока локална плътност на състоянията на графена в сравнение с подложката Ag (111). Според предишни 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 видим структурата на однослойния графен, където ясно се вижда шестоъгълната решетка и муарова свръхструктура*.
Свръхструктура* — особеност на структурата на кристалично съединение, която се повтаря с определен интервал и създава по този начин нова структура с различен период на редуване.
Муар* — накладване на два периодични мрежови шаблона един върху друг.
При по-ниски температури растежът води до образуване на дендритни и дефектни графенови домейни. Поради слаби взаимодействия между графена и долния субстрат, въртящото подравняване на графена спрямо долния Ag (111) не е уникално.
След нанасянето на бор, сканиращата тунелна микроскопия (1E) показа присъствието на съединение от борофенови и графенови домейни. Също така на снимката се виждат области в графена, които по-късно бяха определени като интеркалиди с борофен графен (обозначено на снимката Gr/B). В тази област също така ясно се виждат линейни елементи, ориентирани в три направления и разделени под ъгъл от 120 ° (жълти стрелки).
Изображение №2
Снимката на 2А, както и 1E, потвърдиха появата на локализирани тъмни вдлъбнатини (депресии) в графена след нанасянето на бор.
За да се разгледат по-добре тези образувания и да се установи тяхното произход, 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 зонда и образеца (разстоянието между иглата на микроскопа и образеца). Приложението на този метод позволява получаването на изображения с висока пространствена разделителна способност. Също така за това може да се използва CO или H2 на иглата на микроскопа.
Изображението 2С е снимка, получена с помощта на СТМ, чиято игла е била покрита с СО. Сравнението на снимките А, В и С показва, че всички атомарни елементи се определят като три съседни ярки шестоъгълника, насочени в две нееквивалентни направления (червени и жълти триъгълници на снимките).
Увеличените изображения на тази област (2D) потвърдиха, че тези елементи съответстват на легиращите примеси на бор, заемащи две подрешетки на графена, на което сочат и наложените структури.
Покритие с СО на иглата на микроскопа позволи да се разкрие геометричната структура на листа борофен (2Е), което би било невъзможно, ако иглата беше стандартна (метална) без покритие с СО.
Изображение №3
Формирането на латерални хетероинтерфейси между борофен и графен (3А) трябва да се случи, когато борофенът расте до графеновите домейни, в които вече има бор.
Учените напомнят, че латералните хетероинтерфейси на базата на графен-hBN (графен + нитрид на бора) имат съгласуваност на решетките, докато хетеропреходите на базата на дихалкогениди на преходни метали имат съгласуваност на симетрията. В случая с графен/борофен ситуацията е малко по-различна - те имат минимално структурно сходство от гледна точка на постоянните решетки или кристалната симетрия. Въпреки това, латералният хетероинтерфейс графен/борофен демонстрира практически идеална атомарна съгласуваност, като посоките на реда на бора (В-row) са съчетани с зигзаговидните (ZZ) посоки на графена (3А) На 3В показано е увеличено изображение на областта ZZ на хетероинтерфейса (сини линии маркират междинните елементи, отговарящи на бор-углеродните ковалентни връзки).
Тъй като растежът на борофена се извършва при по-ниска температура в сравнение с графена, краищата на графеновия домейн едва ли ще имат висока подвижност при образуването на хетероинтерфейс с борофен. Следователно, почти атомарно прецизният хетероинтерфейс вероятно е резултат от различни конфигурации и характеристики на многоместните връзки на бора. Спектрите от сканиращата тунелна спектроскопия (3С) и диференциалната тунелна проводимост (3D) показват, че електронният преход от графена към борофена се случва на разстояние ~ 5 Å без видими интерфейси.
На изображението 3Е показани са три спектра от сканираща тунелна спектроскопия, направени по дължината на трите пунктирни линии на 3D, които потвърдиха, че този кратък електронен преход не е чувствителен към локалните междинни структури и е съпоставим с подобно на границите борофен-сребро.
Изображение №4
Графеновата интеркалация* преди това също беше широко изследвана, но преобразуването на интеркалантите в истински 2D листа е относително рядко явление.
Интеркалация* е обратимо включване на молекула или група молекули между други молекули или групи молекули.
Небольшият атомен радиус на бора и слабото взаимодействие между графена и Ag (111) дават основание да се предполага възможна интеркалация на графена с бор. На изображението 4А представени са доказателства не само за интеркалация на бор, но и за формиране на вертикални борофен-графенови хетероструктури, особено триъгълни домейни, заобиколени от графен. Мрежата, наблюдавана в този триъгълен домейн, потвърдил присъствието 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 графен, разположен директно на Ag (111), отсъствието на признаци на висока локална плътност на състоянията в спектъра dI/dV (4C, синята крива), която отговаря на повърхностното състояние на Ag (111), е първото доказателство за интеркалация на бор.
Както и се очакваше за частична интеркалация, графеновата решетка остава непрекъсната в целия латерален интерфейс между графена и триъгълната зона (4D — отговаря на правоъгълната зона на 4А, очертана с червена пунктирна линия). Снимката, направена с помощта на СО на иглата на микроскопа, също потвърди наличието на заместители на бор (4E — отговаря на правоъгълната зона на 4А, очертана с жълта пунктирна линия).
По време на анализа също така бяха използвани игли на микроскопа без никакво покритие. В такъв случай в интеркалираните графенови домейни бяха открити признаци на едномерни линейни елементи с периодичност от 5 Å (4F и 4G). Тези едномерни структури наподобяват редове на бор в модела на борофена. В допълнение към набора от точки, отговарящи на графена, Фурие преобразуването на снимката на 4G показва двойка ортогонални точки, отговарящи на правоъгълната решетка 3 Å х 5 Å (4Н), което перфектно съответства на модела на борофена. Освен това, наблюдаваната тройна ориентация на решетката на линейните елементи (1E) добре съвпада с същата преобладаваща структура, наблюдавана за листата на борофена.
Всички тези наблюдения убедително свидетелстват за интеркалацията на графена от борофен в близост до краищата на Ag, което следователно води до образуването на вертикални хетероструктури борофен-графен, които могат да бъдат предимно реализирани чрез увеличаване на началното покритие на графена.
4I е схематично представяне на вертикалната хетероструктура на 4H, където посоката на реда на бора (розовата стрелка) е близо до изравняване с зигзагообразната посока на графена (черната стрелка), образувайки по този начин въртящо-съразмерна вертикална хетероструктура.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването, препоръчвам да се запознаете с и към него.
Епилог
Т studies показали, че борофенът е напълно способен да образува латерални и вертикални хетероструктури с графен. Подобни системи могат да се използват в разработката на нови типове двумерни елементи, прилагани в нанотехнологиите, гъвкава и носима електроника, а също и в нови типове полупроводници.
Самите изследователи смятат, че тяхната разработка може да бъде мощен тласък напред за технологиите, свързани с електрониката. Въпреки това, е трудно да се каже със сигурност дали техните думи ще се окажат пророчески. В момента все още има много какво да се изследва, разбира и изобрети, за да станат тези научно-фантастични идеи, които запълват умовете на учените, пълноправна реалност.
Благодаря за вниманието, оставете се любопитни и приятна работна седмица на всички, приятели. 🙂
Благодаря, че оставате с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите повече интересни материали? Подкрепете ни, като направите поръчка или я препоръчате на познати, 30% отстъпка за потребителите на Хабра за уникален аналог на entry-level сървъри, създаден от нас за вас: (налични опции с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd два пъти по-евтин? Само при нас в Нидерландия! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Четете за това
Източник: habr.com
