"A mutazione hè a chjave per svelà u misteru di l'evoluzione. U percorsu di u sviluppu da l'organisimu più simplice à l'espezie biologica dominante dura millaie d'anni. Ma ogni centu mila anni ci hè un forte saltu avanti in l'evoluzione" (Charles Xavier, X-Men, 2000). S'è scartate tutti l'elementi di scienza-fiction prisente in i fumetti è i filmi, allora e parolle di u prufissore X sò abbastanza vere. U sviluppu di qualcosa prucede uniformemente a maiò parte di u tempu, ma qualchì volta ci sò salti chì anu un impattu enormu in tuttu u prucessu. Questu ùn hè micca solu per l'evoluzione di e spezie, ma ancu per l'evoluzione di a tecnulugia, u principale mutore di quale hè a ghjente, a so ricerca è l'invenzioni. Oghje avemu da cunnosce cun un studiu chì, sicondu i so autori, hè un veru saltu evolutivu in a nanotecnologia. Cumu i scientisti di l'Università Northwestern (USA) riescenu à creà una nova eterostruttura bidimensionale, perchè u grafene è u borophene sò stati scelti cum'è a basa, è chì proprietà puderia avè un tali sistema ? U rapportu di u gruppu di ricerca ci dirà di questu. Vai.
Basi di ricerca
Avemu intesu u terminu "grafene" parechje volte; hè una mudificazione bidimensionale di carbone, custituita da una capa di atomi di carbonu di 1 atomu di grossu. Ma "borofen" hè assai raru. Stu terminu si riferisce à un cristallu bidimensionale custituitu solu di atomi di boru (B). A pussibilità di l'esistenza di borophene hè stata prevista per a prima volta in a mità di l'anni 90, ma in pratica sta struttura hè stata ottenuta solu da 2015.
A struttura atomica di borophene hè custituita da elementi triangulari è esagonali è hè una cunsequenza di l'interazzione trà i ligami in u pianu di dui centri è multicentri, chì hè assai tipicu per l'elementi deficienti di elettroni, chì includenu boru.
*Per ligami dui-centri è multicentrichi intendemu ligami chimichi - interazzioni di l'atomi chì carattirizzanu l'stabilità di una molècula o cristallu cum'è una struttura unica. Per esempiu, un ligame di dui centri di dui elettroni si trova quandu 2 atomi sparte 2 elettroni, è un ligame di dui centri di trè elettroni si trova quandu 2 atomi è 3 elettroni, etc.
Da un puntu di vista fisicu, u borophene pò esse più forte è più flexible chì u grafene. Hè ancu cridutu chì e strutture di borophene puderanu esse un cumplementu efficace per e batterie perchè u borophene hà una capacità specifica elevata è una conduttività elettronica unica è proprietà di trasportu di ioni. Tuttavia, per u mumentu, questu hè solu una teoria.
Esse elementu trivalente*, u boru hà almenu 10 allotropi*. In forma bidimensionale, simili polimorfismu* hè ancu osservatu.
Elementu trivalente * capaci di furmà trè ligami covalenti, a valenza di quale hè trè.
allotropia* - quandu un elementu chimicu pò esse presentatu in forma di dui o più sustanzi simplici. Per esempiu, carbone - diamante, graphene, grafite, nanotubi di carbone, etc.
Polimorfismu* - a capacità di una sustanza per esse in diverse strutture cristalline (modificazioni polimorfi). In u casu di sustanzi simplici, stu termini hè sinonimu di allotropia.
Data stu polimorfismu largu, hè suggeritu chì u borophene pò esse un candidatu eccellente per creà novi eterostrutture bidimensionali, postu chì e diverse cunfigurazioni di ligame di boru duveranu rilassà i requisiti di currispundenza di u reticulatu. Sfurtunatamente, sta questione hè stata studiata prima solu à u livellu teoricu per via di difficultà in sintesi.
Per i materiali 2D convenzionali ottenuti da cristalli stratificati in massa, l'eterostrutture verticali ponu esse realizate utilizendu stacking meccanicu. Per d 'altra banda, l'eterostrutture laterali bidimensionali sò basati nantu à sintesi di fondu. L'eterostrutture laterali atomicamente precise anu un grande potenziale per risolve i prublemi di cuntrollu funziunale di l'eterojunction, in ogni modu, per via di legami covalenti, l'abbinamentu imperfettu di lattice generalmente si traduce in interfacce larghe è disordinate. Per quessa, ci hè u putenziale, ma ci sò ancu prublemi à rializà.
In questu travagliu, i circadori anu sappiutu integrà u borophene è u grafene in una heterostruttura bidimensionale. Malgradu a discordanza di u reticulu cristallograficu è a simmetria trà u borophene è u grafene, a deposizione sequenziale di carbone è boru nantu à un sustrato Ag (111) sottu ultra-vacuum (UHV) si traduce in heterointerfaces laterali quasi atomicamente precise cù allineamenti di reticuli previsti, è ancu heterointerfaces verticali. .
Preparazione di studiu
Prima di studià l'eterostruttura, avia da esse fabricatu. A crescita di graphene è borophene hè stata realizata in una camera di vacuum ultra-altu cù una pressione di 1x10-10 millibars.
U substratu monocristallu Ag(111) hè stata pulita da cicli ripetuti di sputtering Ar+ (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuti) è annealing termale (550 ° C, 45 minuti) per ottene un Ag (atomicamente pulito è pianu). 111) superficia. .
U grafene hè statu cultivatu da l'evaporazione di fasciu elettroni di una verga di grafite pura (99,997%) cù un diametru di 2.0 mm nantu à un sustrato Ag (750) riscaldatu à 111 ° C à una corrente di riscaldamentu di ~ 1.6 A è una tensione accelerante di ~ 2 kV. , chì dà una corrente d'emissione di ~ 70 mA è un flussu di carbone ~ 40 nA. A pressione in a camera era 1 x 10-9 millibars.
U borophene hè statu cultivatu attraversu l'evaporazione di un fasciu di elettroni di una verga di boru puru (99,9999%) nantu à graphene submonolayer nantu à Ag (400) riscaldatu à 500-111 ° C. A corrente di filamentu era ~ 1.5 A è a tensione di accelerazione era 1.75 kV, chì dà una corrente di emissione di ~ 34 mA è un flussu di boru di ~ 10 nA. A pressione in a camara durante a crescita di borophene era di circa 2 x 10-10 millibars.
Risultati di ricerca
Image #1
Nantu à l'imaghjini 1A mustratu STM* un snapshot di grafene cultivatu, induve i duminii di grafene sò megliu visualizati cù una mappa dI/dV (1B), induve I и V sò a corrente di tunneling è u muvimentu di mostra, è d - densità.
STM* - microscope à scanning tunneling.
dI/dV maps di u campionu ci hà permessu di vede una densità lucale più altu di stati di graphene paragunatu à u sustrato Ag(111). In cunfurmità cù studii precedenti, u statu di a superficia di Ag (111) hà una caratteristica di u passu, spustatu versu l'energii pusitivi da dI/dV spettru di grafene (1С), chì spiega a densità lucale più altu di stati di graphene nantu 1B à 0.3 eV.
Nantu à l'imaghjini 1D pudemu vede a struttura di graphene unicu-layer, induve u lattice honeycomb è sovrastruttura moiré*.
superstruttura * - una caratteristica di a struttura di un compostu cristalinu chì si repite à un certu intervallu è cusì crea una nova struttura cù un periodu di alternanza differenti.
Moire* - sovrapposizione di dui mudelli di maglia periodica sopra l'altru.
À a temperatura più bassa, a crescita porta à a furmazione di duminii di grafene dendriticu è difettu. A causa di l'interazzione debbuli trà u grafene è u sustrato sottostante, l'allineamentu rotazionale di u grafene in quantu à l'Ag (111) sottostante ùn hè micca unicu.
Dopu a deposizione di boru, microscopia à scanning tunneling (1E) hà dimustratu a prisenza di una cumminazione di domini di borophene è graphene. Ancu visibili in l'imaghjini sò e regioni in u grafene, chì sò stati dopu identificati cum'è graphene intercalatu cù borophene (indicatu in l'imaghjini). Gr/B). Elementi lineari orientati in trè direzzione è siparati da un angolo di 120 ° sò ancu chjaramente visibili in questa zona (frecce gialli).
Image #2
Foto nantu 2Aancu 1E, cunfirmà l'apparizione di depressioni scure localizzate in graphene dopu a deposizione di boru.
Per esaminà megliu sti furmazioni è scopre a so origine, una altra fotografia hè stata presa di a stessa zona, ma cù carte |dlnI/dz| (2B), induve I - corrente di tunnel, d hè a densità, è z - separazione sonda-campione (u spaziu trà l'agulla di u microscopiu è a mostra). L'usu di sta tecnica permette di ottene l'imaghjini cù una alta risoluzione spaziale. Pudete ancu aduprà CO o H2 nantu à l'agulla di u microscopiu per questu.
Image Image 2С hè una maghjina ottenuta cù un STM chì a punta hè stata rivestita di CO. Paragone d'imaghjini А, В и С mostra chì tutti l'elementi atomichi sò definiti cum'è trè esagoni brillanti adiacenti diretti in dui direzzione nonequivalente (trianguli rossi è gialli in i ritratti).
Imàgini ingrandate di sta zona (2D) cunfirmà chì questi elementi sò in accordu cù impurità dopanti di boru, chì occupanu dui subretti di grafene, cum'è indicatu da e strutture sovrapposte.
U revestimentu di CO di l'agulla di u microscopiu hà permessu di revelà a struttura geomètrica di a foglia di borofene (2E), chì saria impussibile se l'agulla era standard (metallu) senza CO coating.
Image #3
Formazione di heterointerfaces laterali trà borophene è graphene (3A) duverebbe accade quandu u borophene cresce vicinu à i duminii di grafene chì cuntenenu digià boru.
I scientisti ricurdenu chì l'eterointerfacce laterali basati in graphene-hBN (graphene + nitruru di boru) anu una coerenza di lattice, è l'eterojunctions basati nantu à i dichalcogenidi di metalli di transizione anu una consistenza di simmetria. In u casu di graphene / borophene, a situazione hè ligeramente sfarente - anu una somiglianza strutturale minima in termini di custanti di reticulata o simetria di cristalli. Tuttavia, malgradu questu, l'heterointerfaccia laterale di grafene / borophene mostra una coerenza atomica quasi perfetta, cù e direzzione di fila di boru (fila B) allinata cù e direzioni zigzag (ZZ) di grafene (3A). On 3B una maghjina ingrandata di a regione ZZ di l'eterinterfaccia hè mostrata (i linii blu indicanu elementi interfaciali chì currispondenu à i ligami covalenti boru-carbonu).
Siccomu u borophene cresce à una temperatura più bassa cumparatu cù u grafene, i bordi di u duminiu di grafene sò improbabile di avè una alta mobilità quandu formanu una heterointerface cù borophene. Dunque, l'eterointerfaccia quasi atomicamente precisa hè probabilmente u risultatu di diverse cunfigurazioni è caratteristiche di ligami di boru multisite. Spettri di spettroscopia di scanning tunneling (3С) è a conducibilità differenziale di tunnel (3D) mostranu chì a transizione elettronica da u grafene à u borophene si trova nantu à una distanza di ~ 5 Å senza stati d'interfaccia visibili.
Nantu à l'imaghjini 3E Sò mostrati trè spettri di spettroscopia di scanning tunneling pigliati longu e trè linee tratteggiate in 3D, chì cunfirmanu chì sta transizione elettronica corta hè insensibile à e strutture interfaciali lucali è hè paragunabile à quella di l'interfacce borophene-argentu.
Image #4
Graphene intercalazione* hè statu ancu assai studiatu prima, ma a cunversione di intercalanti in veri fogli 2D hè relativamente rara.
intercalation* - l'inclusione reversibile di una molècula o di un gruppu di molécule trà altre molécule o gruppi di molécule.
U picculu raghju atomicu di u boru è a debule interazzione trà u grafene è l'Ag(111) suggerenu una pussibuli intercalazioni di u grafene cù u boru. In l'imagine 4A L'evidenza hè presentata micca solu di l'intercalazione di boru, ma ancu di a furmazione di eterostrutture verticali borophene-graphene, in particulare domini triangulari circundati da graphene. U lattice di favo osservatu nantu à stu duminiu triangulare cunfirma a prisenza di graphene. Tuttavia, stu grafene mostra una densità lucale di stati più bassa à -50 meV cumparatu cù u grafene circundante (4B). Comparatu à u grafene direttamente nantu à Ag (111), ùn ci hè micca evidenza di una alta densità lucale di stati in u spettru. dI/dV (4C, curve turchinu), currispundenti à u statu di a superficia Ag(111), hè a prima evidenza di intercalazione di boru.
Inoltre, cum'è previstu per l'intercalazione parziale, u reticulatu di grafene resta cuntinuu in tutta l'interfaccia laterale trà u grafene è a regione triangulare (4D - currisponde à una zona rettangulare nantu 4Acerchiata in linea punteggiata rossa). Una maghjina cù CO nantu à una agulla di microscopiu cunfirmava ancu a prisenza di impurità di sostituzione di boru (4E - currisponde à una zona rettangulare nantu 4A, cerchiata in linea punteggiata gialla).
L'agulle di microscopiu senza alcunu revestimentu sò stati ancu utilizati durante l'analisi. In questu casu, i segni di elementi lineari unidimensionali cù una periodicità di 5 Å sò stati rivelati in i domini di grafene intercalati (4F и 4G). Queste strutture unidimensionali s'assumiglia à e fila di boru in u mudellu di borophene. In più di l'inseme di punti chì currispondenu à u grafene, a trasformazione di Fourier di l'imaghjini 4G mostra una coppia di punti ortogonali chì currispondenu à un reticulatu rettangulare 3 Å x 5 Å (4H), chì hè in accordu eccellente cù u mudellu borophene. Inoltre, l'orientazione tripla osservata di l'array di elementi lineari (1E) accunsenu bè cù a stessa struttura predominante osservata per i fogli di borophene.
Tutte queste osservazioni suggerenu fermamente l'intercalazione di u grafene da u borophene vicinu à i bordi di l'Ag, chì in cunseguenza porta à a furmazione di eterostrutture verticali di borophene-graphene, chì ponu esse realizatu avantageusement aumentendu a cobertura iniziale di grafene.
4I hè una rappresentazione schematica di una eterostruttura verticale nantu à 4H, induve a direzzione di a fila di boru (freccia rosa) hè strettamente allinata cù a direzzione di zigzag di graphene (freccia nera), furmendu cusì una heterostruttura verticale rotationally proporzionale.
Per una cunniscenza più dettagliata di e sfumature di u studiu, vi cunsigliu di guardà и à ellu.
Epilogue
Stu studiu hà dimustratu chì u borophene hè abbastanza capaci di furmà eterostrutture laterali è verticali cù u grafene. Tali sistemi ponu esse aduprati in u sviluppu di novi tipi di elementi bidimensionali utilizati in nanotecnologia, l'elettronica flexible è wearable, è ancu novi tippi di semiconduttori.
I circadori stessi credenu chì u so sviluppu puderia esse un putente spinta avanti per e tecnulugii ligati à l'elettronica. Tuttavia, hè sempre difficiule di dì sicuru chì e so parolle diventeranu profetiche. À u mumentu, ci hè sempre assai da ricerca, capitu è inventatu per chì quessi idee di scentificità chì riempienu a mente di i scentifichi diventenu una realità piena.
Grazie per a lettura, stà curiosu è avete una bella settimana ragazzi. 🙂
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