„Мутацията е ключът към разкриването на мистерията на еволюцията. Пътят на развитие от най-простия организъм до доминиращия биологичен вид продължава хиляди години. Но на всеки сто хиляди години има рязък скок напред в еволюцията" (Чарлз Ксавие, X-Men, 2000). Ако изхвърлим всички елементи на научната фантастика, присъстващи в комиксите и филмите, то думите на Професор Х са съвсем верни. Развитието на нещо протича равномерно през повечето време, но понякога има скокове, които оказват огромно влияние върху целия процес. Това се отнася не само за еволюцията на видовете, но и за еволюцията на технологиите, чийто основен двигател са хората, техните изследвания и изобретения. Днес ще се запознаем с едно изследване, което според авторите му е истински еволюционен скок в нанотехнологиите. Как учените от Северозападния университет (САЩ) успяха да създадат нова двуизмерна хетероструктура, защо графенът и борофенът бяха избрани за основа и какви свойства може да има такава система? Докладът на изследователската група ще ни разкаже за това. Отивам.
Изследователска база
Чували сме термина „графен“ много пъти; това е двуизмерна модификация на въглерода, състояща се от слой въглеродни атоми с дебелина 1 атом. Но "борофен" е изключително рядък. Този термин се отнася до двуизмерен кристал, състоящ се само от атоми бор (B). Възможността за съществуването на борофен беше предсказана за първи път още в средата на 90-те години, но на практика беше възможно да се получи тази структура едва през 2015 г.
Атомната структура на борофена се състои от триъгълни и шестоъгълни елементи и е следствие от взаимодействието между двуцентрови и многоцентрови връзки в равнината, което е много типично за елементите с дефицит на електрони, към които се отнася и борът.
*Под двуцентрови и многоцентрови връзки разбираме химични връзки - взаимодействия на атоми, които характеризират стабилността на молекула или кристал като единна структура. Например, двуцентрова връзка с два електрона възниква, когато 2 атома споделят 2 електрона, а двуцентрова връзка с три електрона възниква, когато 2 атома и 3 електрона и т.н.
От физическа гледна точка борофенът може да е по-силен и по-гъвкав от графена. Смята се също, че борофеновите структури могат да бъдат ефективно допълнение към батериите, тъй като борофенът има висок специфичен капацитет и уникална електронна проводимост и свойства за транспортиране на йони. За момента обаче това е само теория.
Бидейки тривалентен елемент*, борът има поне 10 алотропи*. В двуизмерна форма, подобно полиморфизъм* също се наблюдава.
Тривалентен елемент* способен да образува три ковалентни връзки, чиято валентност е три.
Алотропия* - когато един химичен елемент може да бъде представен под формата на две или повече прости вещества. Като пример въглерод - диамант, графен, графит, въглеродни нанотръби и др.
полиморфизъм* - способността на веществото да съществува в различни кристални структури (полиморфни модификации). В случай на прости вещества, този термин е синоним на алотропия.
Като се има предвид този широк полиморфизъм, се предполага, че борофенът може да бъде отличен кандидат за създаване на нови двуизмерни хетероструктури, тъй като различните конфигурации на свързване на бор трябва да облекчат изискванията за съвпадение на решетката. За съжаление, този въпрос преди това беше изследван изключително на теоретично ниво поради трудности при синтеза.
За конвенционалните 2D материали, получени от масивни слоести кристали, вертикалните хетероструктури могат да бъдат реализирани чрез механично подреждане. От друга страна, двумерните странични хетероструктури се основават на синтез отдолу нагоре. Атомно прецизните странични хетероструктури имат голям потенциал за решаване на проблеми с функционалния контрол на хетеропрехода, но поради ковалентното свързване несъвършеното съвпадение на решетката обикновено води до широки и неподредени интерфейси. Следователно потенциал има, но има и проблеми при реализирането му.
В тази работа изследователите успяха да интегрират борофен и графен в една двуизмерна хетероструктура. Въпреки несъответствието на кристалографската решетка и симетрията между борофен и графен, последователното отлагане на въглерод и бор върху Ag(111) субстрат под ултрависок вакуум (UHV) води до почти атомно прецизни странични хетероинтерфейси с предвидени подравнявания на решетките, както и вертикални хетероинтерфейси .
Подготовка за изследвания
Преди да се изследва хетероструктурата, тя трябваше да бъде произведена. Растежът на графен и борофен се извършва в камера със свръхвисок вакуум с налягане 1x10-10 милибара.
Монокристалният Ag(111) субстрат беше почистен чрез повтарящи се цикли на разпръскване с Ar+ (1 x 10-5 милибара, 800 eV, 30 минути) и термично отгряване (550 °C, 45 минути), за да се получи атомно чист и плосък Ag( 111) повърхност.
Графенът се отглежда чрез изпаряване с електронен лъч на чиста (99,997%) графитна пръчка с диаметър 2.0 mm върху Ag (750) субстрат, нагрят до 111 °C при нагряващ ток от ~ 1.6 A и ускоряващо напрежение от ~ 2 kV , което дава емисионен ток от ~ 70 mA и въглероден поток ~ 40 nA. Налягането в камерата беше 1 х 10-9 милибара.
Борофенът се отглежда чрез изпаряване с електронен лъч на чиста (99,9999%) борна пръчка върху субмонослоен графен върху Ag (400), нагрят до 500-111 °C. Токът на нишката беше ~ 1.5, 1.75 A и ускоряващото напрежение беше 34, 10 kV, което дава емисионен ток от ~ 2 mA и борен поток от ~ 10 nA. Налягането в камерата по време на растежа на борофена е приблизително 10 х XNUMX-XNUMX милибара.
Резултати от проучването
Изображение #1
На изображението 1А показани STM* моментна снимка на отгледан графен, където графеновите домейни се визуализират най-добре с помощта на карта dI/dV (1V) къде I и V са тунелният ток и изместването на пробата, и d — плътност.
STM* — сканиращ тунелен микроскоп.
dI/dV картите на пробата ни позволиха да видим по-висока локална плътност на състояния на графен в сравнение със субстрата Ag (111). В съответствие с предишни проучвания, повърхностното състояние на Ag (111) има стъпкова характеристика, изместена към положителни енергии от dI/dV спектър на графен (1S), което обяснява по-високата локална плътност на състоянията на графен върху 1V при 0.3 eV.
На изображението 1D можем да видим структурата на еднослоен графен, където решетката на пчелната пита и моаре суперструктура*.
Надстройка* - характеристика на структурата на кристално съединение, която се повтаря на определен интервал и по този начин създава нова структура с различен период на редуване.
моар* - наслагване на два периодични мрежести модела един върху друг.
При по-ниски температури растежът води до образуването на дендритни и дефектни графенови домени. Поради слабите взаимодействия между графена и основния субстрат, ротационното подравняване на графена по отношение на основния Ag (111) не е уникално.
След отлагане на бор, сканираща тунелна микроскопия (1E) показва наличието на комбинация от борофенови и графенови домейни. Също така се виждат в изображението региони вътре в графена, които по-късно бяха идентифицирани като графен, интеркалиран с борофен (посочен в изображението Gr/B). Линейни елементи, ориентирани в три посоки и разделени под ъгъл от 120°, също са ясно видими в тази област (жълти стрелки).
Изображение #2
Снимка включена 2АКато 1E, потвърждават появата на локализирани тъмни вдлъбнатини в графен след отлагане на бор.
За да се изследват по-добре тези образувания и да се установи техният произход, беше направена друга снимка на същия район, но с помощта на карти |dlnI/dz| (2B), където I — тунелен ток, d е плътността и z — разделяне на сонда-проба (разстоянието между иглата на микроскопа и пробата). Използването на тази техника дава възможност за получаване на изображения с висока пространствена разделителна способност. Можете също да използвате CO или H2 върху иглата на микроскопа за това.
Изображение 2S е изображение, получено с помощта на STM, чийто връх е покрит с CO. Сравнение на изображения А, В и С показва, че всички атомни елементи се определят като три съседни ярки шестоъгълника, насочени в две нееквивалентни посоки (червени и жълти триъгълници на снимките).
Увеличени изображения на тази област (2D) потвърждават, че тези елементи са в съгласие с примесите на борна добавка, заемащи две графенови подрешетки, както е посочено от насложените структури.
CO покритието на иглата на микроскопа направи възможно разкриването на геометричната структура на борофеновия лист (2E), което би било невъзможно, ако иглата беше стандартна (метална) без CO покритие.
Изображение #3
Образуване на странични хетероинтерфейси между борофен и графен (3А) трябва да се появи, когато борофенът расте до графенови домейни, които вече съдържат бор.
Учените напомнят, че страничните хетероинтерфейси, базирани на графен-hBN (графен + борен нитрид), имат консистенция на решетката, а хетеропреходите, базирани на дихалкогениди на преходни метали, имат консистенция на симетрия. В случая с графен/борофен ситуацията е малко по-различна – те имат минимално структурно сходство по отношение на константите на решетката или кристалната симетрия. Въпреки това обаче, страничният хетероинтерфейс графен/борофен демонстрира почти перфектна атомна консистенция, като посоките на борния ред (B-ред) са подравнени с посоките на зигзаг (ZZ) на графена (3А). На 3V показано е увеличено изображение на ZZ областта на хетероинтерфейса (сините линии показват междинни елементи, съответстващи на ковалентни връзки бор-въглерод).
Тъй като борофенът расте при по-ниска температура в сравнение с графен, е малко вероятно ръбовете на графеновия домейн да имат висока мобилност, когато образуват хетероинтерфейс с борофен. Следователно, почти атомно прецизният хетероинтерфейс вероятно е резултат от различни конфигурации и характеристики на многоместните борни връзки. Сканиращи тунелни спектроскопски спектри (3S) и диференциална тунелна проводимост (3D) показват, че електронният преход от графен към борофен се извършва на разстояние от ~ 5 Å без видими състояния на интерфейса.
На изображението 3E Показани са три спектра на сканираща тунелна спектроскопия, взети по трите пунктирани линии в 3D, които потвърждават, че този кратък електронен преход е нечувствителен към локалните междинни структури и е сравним с този при интерфейсите борофен-сребро.
Изображение #4
Графен интеркалация* също е бил широко проучен преди това, но превръщането на интеркаланти в истински 2D листове е относително рядко.
Интеркалация* - обратимо включване на молекула или група от молекули между други молекули или групи от молекули.
Малкият атомен радиус на бора и слабото взаимодействие между графен и Ag(111) предполагат възможна интеркалация на графен с бор. В изображението 4А представени са доказателства не само за интеркалиране на бор, но и за образуването на вертикални борофен-графенови хетероструктури, особено триъгълни домени, заобиколени от графен. Решетката на пчелна пита, наблюдавана върху този триъгълен домейн, потвърждава наличието на графен. Въпреки това, този графен показва по-ниска локална плътност на състоянията при -50 meV в сравнение със заобикалящия графен (4V). В сравнение с графен директно върху Ag(111), няма доказателства за висока локална плътност на състоянията в спектъра dI/dV (4C, синя крива), съответстваща на повърхностното състояние на Ag (111), е първото доказателство за интеркалация на бор.
Също така, както се очаква за частична интеркалация, графеновата решетка остава непрекъсната през страничния интерфейс между графена и триъгълната област (4D - съответства на правоъгълна област на 4А, ограден с червена пунктирана линия). Изображение, използващо CO върху игла на микроскоп, също потвърди наличието на примеси, заместващи бор (4E - съответства на правоъгълна област на 4А, ограден с жълта пунктирана линия).
По време на анализа са използвани и микроскопски игли без никакво покритие. В този случай признаци на едномерни линейни елементи с периодичност от 5 Å бяха разкрити в интеркалираните графенови домени (4F и 4G). Тези едноизмерни структури приличат на борните редове в модела на борофен. В допълнение към набора от точки, съответстващи на графен, трансформацията на Фурие на изображението в 4G показва двойка ортогонални точки, съответстващи на правоъгълна решетка 3 Å x 5 Å (4H), което е в отлично съгласие с борофеновия модел. В допълнение, наблюдаваната тройна ориентация на масива от линейни елементи (1E) се съгласува добре със същата преобладаваща структура, наблюдавана за борофенови листове.
Всички тези наблюдения силно предполагат интеркалирането на графен от борофен близо до краищата на Ag, което впоследствие води до образуването на вертикални борофен-графенови хетероструктури, които могат да бъдат изгодно реализирани чрез увеличаване на първоначалното покритие на графен.
4I е схематично представяне на вертикална хетероструктура върху 4H, където посоката на борния ред (розова стрелка) е тясно подравнена с зигзагообразната посока на графена (черна стрелка), като по този начин образува ротационно пропорционална вертикална хетероструктура.
За по-подробно запознаване с нюансите на изследването препоръчвам да разгледате и на него.
Епилог
Това проучване показа, че борофенът е доста способен да образува странични и вертикални хетероструктури с графен. Такива системи могат да се използват при разработването на нови видове двуизмерни елементи, използвани в нанотехнологиите, гъвкава и носима електроника, както и нови видове полупроводници.
Самите изследователи вярват, че тяхното развитие може да бъде мощен тласък напред за технологиите, свързани с електрониката. Все още обаче е трудно да се каже със сигурност, че думите им ще станат пророчески. В момента има още много за изследване, разбиране и изобретяване, така че тези научнофантастични идеи, които изпълват умовете на учените, да се превърнат в пълноценна реалност.
Благодаря за четенето, останете любопитни и желая страхотна седмица, момчета. 🙂
Благодарим ви, че останахте с нас. Харесвате ли нашите статии? Искате ли да видите още интересно съдържание? Подкрепете ни, като направите поръчка или препоръчате на приятели, 30% отстъпка за потребителите на Habr за уникален аналог на сървъри от начално ниво, който беше измислен от нас за вас: (предлага се с RAID1 и RAID10, до 24 ядра и до 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 пъти по-евтин? Само тук в Холандия! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - от $99! Прочети за
Източник: www.habr.com