"La mutació és la clau per desentranyar el misteri de l'evolució. El camí de desenvolupament des de l'organisme més simple fins a l'espècie biològica dominant dura milers d'anys. Però cada cent mil anys hi ha un salt endavant en l'evolució" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Si descartem tots els elements de ciència-ficció presents en còmics i pel·lícules, aleshores les paraules del professor X són ben certes. El desenvolupament d'alguna cosa es desenvolupa de manera uniforme la major part del temps, però de vegades hi ha salts que tenen un gran impacte en tot el procés. Això s'aplica no només a l'evolució de les espècies, sinó també a l'evolució de la tecnologia, el principal motor de la qual són les persones, les seves investigacions i invents. Avui coneixerem un estudi que, segons els seus autors, suposa un autèntic salt evolutiu en nanotecnologia. Com van aconseguir els científics de la Northwestern University (EUA) crear una nova heteroestructura bidimensional, per què es van triar el grafè i el borofè com a base i quines propietats podria tenir aquest sistema? L'informe del grup de recerca ens ho explicarà. Vés.
Base de recerca
Hem sentit el terme "grafè" moltes vegades; és una modificació bidimensional del carboni, que consisteix en una capa d'àtoms de carboni d'1 àtom de gruix. Però "borofen" és extremadament rar. Aquest terme es refereix a un cristall bidimensional format únicament per àtoms de bor (B). La possibilitat de l'existència de borofè es va predir per primera vegada a mitjans dels anys 90, però a la pràctica aquesta estructura només es va obtenir el 2015.
L'estructura atòmica del borofè consta d'elements triangulars i hexagonals i és conseqüència de la interacció entre enllaços en el pla de dos centres i multicèntrics, que és molt típic dels elements amb deficiència d'electrons, que inclouen el bor.
*Per enllaços bicèntrics i multicèntrics entenem enllaços químics: interaccions d'àtoms que caracteritzen l'estabilitat d'una molècula o cristall com a estructura única. Per exemple, un enllaç de dos centres de dos electrons es produeix quan 2 àtoms comparteixen 2 electrons, i un enllaç de dos centres de tres electrons es produeix quan 2 àtoms i 3 electrons, etc.
Des del punt de vista físic, el borofè pot ser més fort i flexible que el grafè. També es creu que les estructures de borofè podrien ser un complement eficaç per a les bateries perquè el borofè té una gran capacitat específica i propietats úniques de conductivitat electrònica i de transport d'ions. No obstant això, de moment això és només una teoria.
ser element trivalent*, el bor en té almenys 10 al·lòtrops*. En forma bidimensional, semblant polimorfisme* també s'observa.
Element trivalent* capaç de formar tres enllaços covalents, la valència dels quals és de tres.
al·lotropia* - quan un element químic es pot presentar en forma de dues o més substàncies simples. Com a exemple, carboni - diamant, grafè, grafit, nanotubs de carboni, etc.
Polimorfisme* - la capacitat d'una substància d'existir en diferents estructures cristal·lines (modificacions polimòrfiques). En el cas de les substàncies simples, aquest terme és sinònim d'al·lotropia.
Tenint en compte aquest ampli polimorfisme, es suggereix que el borofè pot ser un excel·lent candidat per crear noves heteroestructures bidimensionals, ja que diferents configuracions d'enllaç de bor haurien de relaxar els requisits de concordança de la gelosia. Malauradament, anteriorment aquesta qüestió s'estudiava exclusivament a nivell teòric per dificultats de síntesi.
Per als materials 2D convencionals obtinguts a partir de cristalls en capes a granel, es poden realitzar heteroestructures verticals mitjançant l'apilament mecànic. D'altra banda, les heteroestructures laterals bidimensionals es basen en la síntesi de baix a dalt. Les heteroestructures laterals atòmicament precises tenen un gran potencial per resoldre problemes de control funcional de l'heterounió, però, a causa de l'enllaç covalent, la concordança imperfecta de la gelosia normalment dóna lloc a interfícies àmplies i desordenades. Per tant, hi ha potencial, però també hi ha problemes per realitzar-lo.
En aquest treball, els investigadors van aconseguir integrar el borofè i el grafè en una heteroestructura bidimensional. Malgrat el desajust de la xarxa cristal·logràfica i la simetria entre el borofè i el grafè, la deposició seqüencial de carboni i bor sobre un substrat Ag (111) sota buit ultra alt (UHV) dóna lloc a heterointerfícies laterals gairebé atòmicament precises amb alineacions de gelosia previstes, així com heterointerfícies verticals. .
Preparació per a la recerca
Abans d'estudiar l'heteroestructura, s'havia de fabricar. El creixement del grafè i el borofè es va dur a terme en una cambra de buit ultra alt amb una pressió d'1x10-10 mil·libars.
El substrat d'Ag(111) d'un sol cristall es va netejar mitjançant cicles repetits de polverització Ar+ (1 x 10-5 mil·libars, 800 eV, 30 minuts) i recuit tèrmic (550 °C, 45 minuts) per obtenir un Ag (atòmicament net i pla). 111) superfície. .
El grafè es va fer créixer mitjançant l'evaporació del feix d'electrons d'una vareta de grafit pura (99,997%) amb un diàmetre de 2.0 mm sobre un substrat d'Ag (750) escalfat a 111 °C a un corrent de calefacció de ~ 1.6 A i una tensió d'acceleració de ~ 2 kV , que dóna un corrent d'emissió de ~ 70 mA i un flux de carboni ~ 40 nA. La pressió a la cambra era d'1 x 10-9 mil·libars.
El borofè es va cultivar mitjançant l'evaporació del feix d'electrons d'una vareta de bor pura (99,9999%) sobre grafè de submonocapa sobre Ag (400) escalfat a 500-111 °C. El corrent del filament era de ~ 1.5 A i la tensió d'acceleració era d'1.75 kV, la qual cosa dóna un corrent d'emissió de ~ 34 mA i un flux de bor de ~ 10 nA. La pressió a la cambra durant el creixement del borofè era d'aproximadament 2 x 10-10 mil·libars.
Resultats de l'estudi
Imatge #1
A la imatge 1A es mostra STM* una instantània del grafè cultivat, on els dominis del grafè es visualitzen millor mitjançant un mapa dI/dV (1V), on I и V són el corrent de túnel i el desplaçament de la mostra, i d - densitat.
STM* - Microscopi de túnel d'escaneig.
dI/dV Els mapes de la mostra ens van permetre veure una densitat local més alta d'estats de grafè en comparació amb el substrat Ag (111). D'acord amb estudis anteriors, l'estat superficial d'Ag (111) té una característica de pas, desplaçada cap a energies positives per dI/dV espectre del grafè (1S), que explica la major densitat local dels estats del grafè 1V a 0.3 eV.
A la imatge 1D podem veure l'estructura del grafè d'una sola capa, on la xarxa de bresca i superestructura moiré*.
Superestructura* - una característica de l'estructura d'un compost cristal·lí que es repeteix a un interval determinat i, per tant, crea una nova estructura amb un període d'alternança diferent.
Moire* - superposició de dos patrons de malla periòdics l'un sobre l'altre.
A temperatures més baixes, el creixement condueix a la formació de dominis dendrítics i de grafè defectuosos. A causa de les interaccions febles entre el grafè i el substrat subjacent, l'alineació rotacional del grafè respecte a l'Ag (111) subjacent no és única.
Després de la deposició de bor, microscòpia de túnel d'escaneig (1E) va mostrar la presència d'una combinació de dominis de borofè i grafè. També són visibles a la imatge les regions dins del grafè, que més tard es van identificar com a grafè intercalat amb borofè (indicat a la imatge). Gr/B). Els elements lineals orientats en tres direccions i separats per un angle de 120° també són clarament visibles en aquesta zona (fletxes grogues).
Imatge #2
Foto activada 2ACom 1E, confirmen l'aparició de depressions fosques localitzades al grafè després de la deposició de bor.
Per tal d'examinar millor aquestes formacions i esbrinar-ne l'origen, es va fer una altra fotografia de la mateixa zona, però utilitzant mapes |dlnI/dz| (2B), on I - corrent del túnel, d és la densitat, i z — separació sonda-mostra (l'espai entre l'agulla del microscopi i la mostra). L'ús d'aquesta tècnica permet obtenir imatges amb alta resolució espacial. També podeu utilitzar CO o H2 a l'agulla del microscopi per a això.
Изображение 2S és una imatge obtinguda mitjançant un STM la punta del qual estava recoberta de CO. Comparació d'imatges А, В и С mostra que tots els elements atòmics es defineixen com tres hexàgons brillants adjacents dirigits en dues direccions no equivalents (triangles vermell i groc a les fotografies).
Imatges ampliades d'aquesta zona (2D) confirmen que aquests elements estan d'acord amb les impureses del dopant de bor, ocupant dues subreticules de grafè, tal com indiquen les estructures superposades.
El recobriment de CO de l'agulla del microscopi va permetre revelar l'estructura geomètrica de la làmina de borofè (2E), cosa que seria impossible si l'agulla fos estàndard (metall) sense recobriment de CO.
Imatge #3
Formació d'heterointerfícies laterals entre borofè i grafè (3A) hauria de produir-se quan el borofè creix al costat de dominis de grafè que ja contenen bor.
Els científics recorden que les heterointerfícies laterals basades en grafè-hBN (grafè + nitrur de bor) tenen consistència de gelosia i les heterounions basades en dicalcogenurs de metalls de transició tenen consistència de simetria. En el cas del grafè/borofè, la situació és lleugerament diferent: tenen una semblança estructural mínima en termes de constants de gelosia o simetria cristal·lina. Tanmateix, malgrat això, l'heterointerfície lateral grafè/borofè demostra una consistència atòmica gairebé perfecta, amb les direccions de la fila de bor (fila B) alineades amb les direccions en ziga-zaga (ZZ) del grafè (3A). Encès 3V es mostra una imatge ampliada de la regió ZZ de l'heterointerfície (les línies blaves indiquen elements interfacials corresponents als enllaços covalents bor-carboni).
Com que el borofè creix a una temperatura més baixa en comparació amb el grafè, és poc probable que les vores del domini del grafè tinguin una gran mobilitat quan es formen una heterointerfície amb el borofè. Per tant, l'heterointerfície gairebé atòmicament precisa és probablement el resultat de diferents configuracions i característiques dels enllaços de bor multisite. Escaneig d'espectres d'espectroscòpia de túnel (3S) i conductivitat diferencial del túnel (3D) mostren que la transició electrònica del grafè al borofè es produeix a una distància de ~ 5 Å sense estats d'interfície visibles.
A la imatge 3E Es mostren tres espectres d'espectroscòpia de túnel d'escaneig agafats al llarg de les tres línies discontínues en 3D, que confirmen que aquesta breu transició electrònica és insensible a les estructures interfacials locals i és comparable a la de les interfícies borofè-plata.
Imatge #4
Grafè intercalació* També s'ha estudiat àmpliament anteriorment, però la conversió d'intercalants en veritables làmines 2D és relativament rara.
Intercalació* - inclusió reversible d'una molècula o grup de molècules entre altres molècules o grups de molècules.
El petit radi atòmic del bor i la feble interacció entre el grafè i Ag (111) suggereixen una possible intercalació del grafè amb el bor. A la imatge 4A Es presenten proves no només de la intercalació del bor, sinó també de la formació d'heteroestructures verticals de borofè-grafè, especialment dominis triangulars envoltats de grafè. La gelosia de bresca observada en aquest domini triangular confirma la presència de grafè. Tanmateix, aquest grafè presenta una menor densitat local d'estats a -50 meV en comparació amb el grafè circumdant (4V). En comparació amb el grafè directament a Ag (111), no hi ha proves d'una alta densitat local d'estats a l'espectre. dI/dV (4C, corba blava), corresponent a l'estat de superfície Ag(111), és la primera evidència d'intercalació del bor.
A més, com s'esperava per a la intercalació parcial, la xarxa de grafè es manté contínua a tota la interfície lateral entre el grafè i la regió triangular (4D - correspon a una àrea rectangular sobre 4A, encerclat amb una línia de punts vermella). Una imatge amb CO en una agulla de microscopi també va confirmar la presència d'impureses de substitució de bor (4E - correspon a una àrea rectangular sobre 4A, encerclat amb una línia de punts groga).
Durant l'anàlisi també es van utilitzar agulles de microscopi sense cap recobriment. En aquest cas, es van revelar signes d'elements lineals unidimensionals amb una periodicitat de 5 Å en els dominis de grafè intercalats (4F и 4G). Aquestes estructures unidimensionals s'assemblen a les files de bor del model de borofè. A més del conjunt de punts corresponents al grafè, la transformada de Fourier de la imatge en 4G mostra un parell de punts ortogonals corresponents a una gelosia rectangular de 3 Å x 5 Å (4H), que està en excel·lent acord amb el model de borofè. A més, la triple orientació observada de la matriu d'elements lineals (1E) coincideix bé amb la mateixa estructura predominant observada per a les làmines de borofè.
Totes aquestes observacions suggereixen fortament la intercalació del grafè per borofè prop de les vores d'Ag, la qual cosa condueix a la formació d'heteroestructures verticals de borofè-grafè, que es poden realitzar de manera avantatjosa augmentant la cobertura inicial del grafè.
4I és una representació esquemàtica d'una heteroestructura vertical sobre 4H, on la direcció de la fila de bor (fletxa rosa) està estretament alineada amb la direcció en ziga-zaga del grafè (fletxa negra), formant així una heteroestructura vertical proporcional a la rotació.
Per a un coneixement més detallat dels matisos de l'estudi, recomano mirar и A ell.
Epíleg
Aquest estudi va demostrar que el borofè és bastant capaç de formar heteroestructures laterals i verticals amb el grafè. Aquests sistemes es poden utilitzar en el desenvolupament de nous tipus d'elements bidimensionals utilitzats en nanotecnologia, electrònica flexible i portàtil, així com nous tipus de semiconductors.
Els mateixos investigadors creuen que el seu desenvolupament podria ser un poderós impuls per a les tecnologies relacionades amb l'electrònica. No obstant això, encara és difícil dir amb certesa que les seves paraules es convertiran en profètiques. De moment, encara queda molt per investigar, entendre i inventar perquè aquelles idees de ciència-ficció que omplen la ment dels científics esdevinguin una realitat en tota regla.
Gràcies per llegir, sigueu curiosos i passeu una bona setmana nois. 🙂
Gràcies per quedar-te amb nosaltres. T'agraden els nostres articles? Vols veure més contingut interessant? Doneu-nos suport fent una comanda o recomanant als amics, 30% de descompte per als usuaris d'Habr en un únic anàleg de servidors d'entrada, que hem inventat per a tu: (disponible amb RAID1 i RAID10, fins a 24 nuclis i fins a 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 vegades més barat? Només aquí als Països Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - a partir de 99 $! Llegeix sobre
Font: www.habr.com