“Mutacija je ključ za razotkrivanje misterije evolucije. Put razvoja od najjednostavnijeg organizma do dominantne biološke vrste traje hiljadama godina. Ali svakih sto hiljada godina postoji oštar skok naprijed u evoluciji" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ako odbacimo sve naučno-fantastične elemente prisutne u stripovima i filmovima, onda su riječi profesora X sasvim istinite. Razvoj nečega se većinu vremena odvija ravnomjerno, ali ponekad postoje skokovi koji imaju ogroman utjecaj na cijeli proces. Ovo se ne odnosi samo na evoluciju vrsta, već i na evoluciju tehnologije, čiji su glavni pokretači ljudi, njihova istraživanja i izumi. Danas ćemo se upoznati sa studijom koja je, prema riječima njenih autora, pravi evolucijski skok u nanotehnologiji. Kako su naučnici sa Univerziteta Northwestern (SAD) uspjeli da stvore novu dvodimenzionalnu heterostrukturu, zašto su za osnovu odabrani grafen i borofen i koja svojstva takav sistem može imati? O tome će nam reći izvještaj istraživačke grupe. Idi.
Osnova istraživanja
Pojam "grafen" smo čuli mnogo puta; to je dvodimenzionalna modifikacija ugljika, koja se sastoji od sloja atoma ugljika debljine 1 atom. Ali "borofen" je izuzetno rijedak. Ovaj termin se odnosi na dvodimenzionalni kristal koji se sastoji isključivo od atoma bora (B). Mogućnost postojanja borofena prvi put je predviđena još sredinom 90-ih, ali je u praksi ova struktura dobijena tek 2015. godine.
Atomska struktura borofena sastoji se od trokutastih i heksagonalnih elemenata i posljedica je interakcije između dvocentričnih i višecentričnih veza u ravni, što je vrlo tipično za elemente s nedostatkom elektrona, među kojima je i bor.
*Pod dvocentralnim i multicentričnim vezama podrazumijevamo kemijske veze - interakcije atoma koje karakteriziraju stabilnost molekula ili kristala kao jedne strukture. Na primjer, veza sa dva centra s dva elektrona nastaje kada 2 atoma dijele 2 elektrona, a veza sa dva centra sa tri elektrona nastaje kada 2 atoma i 3 elektrona, itd.
Sa fizičke tačke gledišta, borofen može biti jači i fleksibilniji od grafena. Također se vjeruje da bi borofenske strukture mogle biti efikasna dopuna baterijama jer borofen ima visok specifični kapacitet i jedinstvenu elektronsku provodljivost i svojstva transporta jona. Međutim, u ovom trenutku ovo je samo teorija.
Biti trovalentni element*bor ima najmanje 10 alotropi*. U dvodimenzionalnom obliku, slično polimorfizam* se takođe primećuje.
trovalentni element* sposobne da formiraju tri kovalentne veze, čija je valencija tri.
alotropija* - kada se jedan hemijski element može predstaviti u obliku dvije ili više jednostavnih supstanci. Na primjer, ugljenik - dijamant, grafen, grafit, ugljične nanocijevi, itd.
polimorfizam* - sposobnost supstance da postoji u različitim kristalnim strukturama (polimorfne modifikacije). U slučaju jednostavnih supstanci, ovaj termin je sinonim za alotropiju.
S obzirom na ovaj široki polimorfizam, sugerira se da bi borofen mogao biti odličan kandidat za stvaranje novih dvodimenzionalnih heterostruktura, budući da različite konfiguracije vezanja bora trebaju opustiti zahtjeve za usklađivanjem rešetke. Nažalost, ovo pitanje se ranije proučavalo isključivo na teorijskom nivou zbog poteškoća u sintezi.
Za konvencionalne 2D materijale dobijene od masivnih slojevitih kristala, vertikalne heterostrukture se mogu realizovati mehaničkim slaganjem. S druge strane, dvodimenzionalne lateralne heterostrukture su zasnovane na sintezi odozdo prema gore. Atomski precizne lateralne heterostrukture imaju veliki potencijal u rješavanju problema funkcionalne kontrole heterospojnica, međutim, zbog kovalentne veze, nesavršeno podudaranje rešetki obično rezultira širokim i neuređenim sučeljima. Dakle, potencijala ima, ali ima i problema u realizaciji.
U ovom radu istraživači su uspjeli integrirati borofen i grafen u jednu dvodimenzionalnu heterostrukturu. Unatoč neusklađenosti i simetriji kristalografske rešetke između borofena i grafena, sekvencijalno taloženje ugljika i bora na Ag(111) supstrat pod ultravisokim vakuumom (UHV) rezultira gotovo atomski preciznim bočnim heterointerfejsima s predviđenim poravnanjima rešetke, kao i vertikalnim heterointerfacesima .
Priprema za istraživanje
Prije proučavanja heterostrukture, ona je morala biti proizvedena. Uzgoj grafena i borofena obavljen je u ultravisokom vakuumskoj komori sa pritiskom od 1x10-10 milibara.
Monokristalni Ag(111) supstrat je očišćen ponovljenim ciklusima raspršivanja Ar+ (1 x 10-5 milibara, 800 eV, 30 minuta) i termičkog žarenja (550 °C, 45 minuta) da bi se dobio atomski čist i ravan Ag( 111) površina.
Grafen je uzgojen isparavanjem snopa elektrona čistog (99,997%) grafitnog štapa prečnika 2.0 mm na Ag (750) supstratu zagrijanoj na 111 °C pri struji grijanja od ~ 1.6 A i naponu ubrzanja od ~ 2 kV , što daje emisionu struju od ~ 70 mA i fluks ugljika ~40 nA. Pritisak u komori je bio 1 x 10-9 milibara.
Borofen je uzgajan isparavanjem snopa elektrona čistog (99,9999%) borovog štapa na submonoslojnom grafenu na Ag (400) zagrijanom na 500-111 °C. Struja filamenta je bila ~1.5 A, a napon ubrzanja je bio 1.75 kV, što daje emisionu struju od ~34 mA i fluks bora od ~10 nA. Pritisak u komori tokom rasta borofena bio je približno 2 x 10-10 milibara.
Rezultati studije
Slika #1
Na slici 1A pokazano STM* snimak uzgojenog grafena, gdje se domeni grafena najbolje vizualiziraju pomoću mape dI/dV (1B) gdje I и V su tunelska struja i pomak uzorka, i d — gustina.
STM* — skenirajući tunelski mikroskop.
dI/dV mape uzorka omogućile su nam da vidimo veću lokalnu gustinu stanja grafena u odnosu na Ag(111) supstrat. U skladu sa prethodnim studijama, površinsko stanje Ag (111) ima stepenastu karakteristiku, pomerenu ka pozitivnim energijama za dI/dV spektar grafena (1S), što objašnjava veću lokalnu gustoću stanja grafena na 1B na 0.3 eV.
Na slici 1D možemo vidjeti strukturu jednoslojnog grafena, gdje je saćasta rešetka i moiré nadgradnja*.
Superstruktura* - osobina strukture kristalnog jedinjenja koja se ponavlja u određenom intervalu i tako stvara novu strukturu sa drugačijim periodom alternacije.
Moire* - superpozicija dva periodična uzorka mreže jedan na drugi.
Na nižim temperaturama, rast dovodi do stvaranja dendritskih i defektnih domena grafena. Zbog slabe interakcije između grafena i temeljnog supstrata, rotacijsko poravnanje grafena u odnosu na osnovni Ag(111) nije jedinstveno.
Nakon taloženja bora, skenirajuća tunelska mikroskopija (1E) pokazalo je prisustvo kombinacije domena borofena i grafena. Na slici su također vidljivi dijelovi unutar grafena, koji su kasnije identificirani kao grafen interkalirani s borofenom (označeno na slici Gr/B). U ovom području su jasno vidljivi i linearni elementi orijentirani u tri smjera i razdvojeni uglom od 120° (žute strelice).
Slika #2
Fotografija uključena 2A, kao i 1E, potvrđuju pojavu lokaliziranih tamnih udubljenja u grafenu nakon taloženja bora.
Kako bi se ove formacije bolje ispitale i otkrilo njihovo porijeklo, snimljena je još jedna fotografija istog područja, ali pomoću mapa |dlnI/dz| (2B), gdje I — tunelska struja, d je gustina, i z — razdvajanje sonde i uzorka (razmak između igle mikroskopa i uzorka). Upotreba ove tehnike omogućava dobijanje slika visoke prostorne rezolucije. Za ovo možete koristiti i CO ili H2 na igli mikroskopa.
Image Image 2S je slika dobivena korištenjem STM-a čiji je vrh premazan CO. Poređenje slika А, В и С pokazuje da su svi atomski elementi definirani kao tri susjedna svijetla šesterokuta usmjerena u dva neekvivalentna smjera (crveni i žuti trokut na fotografijama).
Uvećane slike ovog područja (2D) potvrđuju da su ovi elementi u saglasnosti sa nečistoćama dopanta bora, koji zauzimaju dvije grafenske podrešetke, kao što pokazuju superponirane strukture.
CO premaz igle mikroskopa omogućio je otkrivanje geometrijske strukture borofenskog lista (2E), što bi bilo nemoguće da je igla standardna (metalna) bez CO premaza.
Slika #3
Formiranje bočnih heterointerfejsa između borofena i grafena (3A) bi se trebao pojaviti kada borofen raste pored domena grafena koji već sadrže bor.
Naučnici podsjećaju da lateralne heterointerfejse na bazi grafena-hBN (grafen + bor nitrid) imaju konzistenciju rešetke, a heterospojevi na bazi dihalkogenida prelaznih metala imaju simetričnu konzistenciju. U slučaju grafena/borofena, situacija je malo drugačija – oni imaju minimalnu strukturnu sličnost u smislu konstanti rešetke ili kristalne simetrije. Međutim, uprkos tome, bočni grafen/borofen heterointerface pokazuje gotovo savršenu atomsku konzistenciju, sa pravcima reda bora (B-red) koji su usklađeni sa cik-cak (ZZ) pravcima grafena (3A). Uključeno 3B prikazana je uvećana slika ZZ regiona heterointerfejsa (plave linije označavaju elemente međufaza koji odgovaraju kovalentnim vezama bor-ugljenik).
Budući da borofen raste na nižoj temperaturi u odnosu na grafen, malo je vjerovatno da će rubovi domene grafena imati veliku pokretljivost kada formiraju heterointerface s borofenom. Stoga je skoro atomski precizan heterointerface vjerovatno rezultat različitih konfiguracija i karakteristika višestrukih veza bora. Spektri skenirajuće tunelske spektroskopije (3S) i diferencijalnu tunelsku provodljivost (3D) pokazuju da se elektronski prijelaz iz grafena u borofen događa na udaljenosti od ~5 Å bez vidljivih stanja sučelja.
Na slici 3E Prikazana su tri spektra skenirajuće tunelske spektroskopije snimljena duž tri isprekidane linije u 3D, koji potvrđuju da je ova kratka elektronska tranzicija neosjetljiva na lokalne strukture međufaza i da je uporediva sa onim na sučeljima borofen-srebro.
Slika #4
Grafen interkalacija* je također ranije široko proučavan, ali konverzija interkalanata u prave 2D ploče je relativno rijetka.
interkalacija* - reverzibilno uključivanje molekula ili grupe molekula između drugih molekula ili grupa molekula.
Mali atomski radijus bora i slaba interakcija između grafena i Ag(111) ukazuju na moguću interkalaciju grafena sa borom. Na slici 4A prikazani su dokazi ne samo o interkalaciji bora, već io formiranju vertikalnih borofen-grafenskih heterostruktura, posebno trouglastih domena okruženih grafenom. Rešetka saća uočena na ovom trouglastom domenu potvrđuje prisustvo grafena. Međutim, ovaj grafen pokazuje nižu lokalnu gustinu stanja na -50 meV u poređenju sa okolnim grafenom (4B). U poređenju sa grafenom direktno na Ag(111), nema dokaza o visokoj lokalnoj gustoći stanja u spektru dI/dV (4C, plava kriva), koja odgovara površinskom stanju Ag(111), prvi je dokaz interkalacije bora.
Također, kao što se i očekivalo za djelomičnu interkalaciju, grafenska rešetka ostaje kontinuirana kroz bočni interfejs između grafena i trokutastog područja (4D - odgovara pravokutnoj površini na 4A, zaokruženo crvenom tačkastom linijom). Slika pomoću CO na igli mikroskopa također je potvrdila prisustvo nečistoća zamjene bora (4E - odgovara pravokutnoj površini na 4A, zaokruženo žutom tačkastom linijom).
U analizi su korištene i mikroskopske igle bez ikakvog premaza. U ovom slučaju, u interkaliranim domenima grafena otkriveni su znakovi jednodimenzionalnih linearnih elemenata s periodičnosti od 5 Å (4F и 4G). Ove jednodimenzionalne strukture podsjećaju na redove bora u modelu borofena. Pored skupa tačaka koje odgovaraju grafenu, Fourierova transformacija slike u 4G prikazuje par ortogonalnih tačaka koje odgovaraju pravokutnoj rešetki 3 Å x 5 Å (4H), što se odlično slaže sa borofenskim modelom. Osim toga, uočena trostruka orijentacija niza linearnih elemenata (1E) se dobro slaže sa istom dominantnom strukturom koja je uočena za borofenske ploče.
Sva ova zapažanja snažno sugeriraju interkalaciju grafena borofenom u blizini rubova Ag, što posljedično dovodi do formiranja vertikalnih heterostruktura borofen-grafena, što se može povoljno realizirati povećanjem početne pokrivenosti grafena.
4I je šematski prikaz vertikalne heterostrukture na 4H, gdje je smjer borovog reda (ružičasta strelica) usko usklađen sa cik-cak smjerom grafena (crna strelica), formirajući tako rotaciono proporcionalnu vertikalnu heterostrukturu.
Za detaljnije upoznavanje sa nijansama studije, preporučujem da pogledate и za njega.
Epilog
Ova studija je pokazala da je borofen prilično sposoban da formira bočne i vertikalne heterostrukture sa grafenom. Ovakvi sistemi se mogu koristiti u razvoju novih tipova dvodimenzionalnih elemenata koji se koriste u nanotehnologiji, fleksibilnoj i nosivoj elektronici, kao i novih tipova poluprovodnika.
Sami istraživači vjeruju da bi njihov razvoj mogao biti snažan poticaj za tehnologije povezane s elektronikom. Međutim, još uvijek je teško sa sigurnošću reći da će njihove riječi postati proročke. Trenutno ima još mnogo toga da se istraži, shvati i izmisli kako bi one naučnofantastične ideje koje ispunjavaju umove naučnika postale puna stvarnost.
Hvala na čitanju, ostanite radoznali i ugodnu sedmicu momci. 🙂
Hvala vam što ste ostali s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li vidjeti još zanimljivih sadržaja? Podržite nas naručivanjem ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih servera, koji smo mi osmislili za vas: (dostupno sa RAID1 i RAID10, do 24 jezgra i do 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Holandiji! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - od 99 USD! Pročitajte o
izvor: www.habr.com