„Mutace je klíčem k odhalení tajemství evoluce. Cesta od nejjednoduššího organismu k dominantnímu biologickému druhu trvá tisíciletí. Ale každých několik set tisíc let dochází v evoluci k náhlému skoku vpřed“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Pokud odstraníme všechny prvky science fiction přítomné v komiksech a filmech, jsou slova profesora X naprosto pravdivá. Vývoj něčeho probíhá většinu času plynule, ale občas nastanou skoky, které mají obrovský dopad na celý proces. To platí nejen pro evoluci druhů, ale i pro evoluci technologií, jejímž hlavním motorem jsou lidé, jejich výzkumy a vynálezy. Dnes se seznámíme s výzkumem, který podle jeho autorů představuje skutečný evoluční skok v nanotechnologiích. Jak se vědcům z Northwest University (USA) podařilo vytvořit novou dvourozměrnou heterostrukturu, proč byly jako základ vybrány grafen a borofen a jaké vlastnosti může mít takový systém? O tom nás informuje zpráva výzkumné skupiny. Pojďme na to.
Základ výzkumu
Termín „grafen“ jsme už slyšeli mnohokrát — jedná se o dvourozměrnou modifikaci uhlíku, která se skládá z vrstvy atomů uhlíku o tloušťce 1 atom. Naproti tomu „borofen“ se vyskytuje velmi zřídka. Tento termín označuje dvourozměrný krystal složený výlučně z atomů boru (B). Možnost existence borofenu byla poprvé předpovězena již v polovině 90. let, ale ve skutečnosti se tuto strukturu podařilo získat až v roce 2015.
Atomární struktura borofenu se skládá z trojúhelníkových a hexagonálních prvků a je důsledkem interakcí mezi dvoucentrovými a mnohocentrovými intraplátovými vazbami, což je velmi charakteristické pro prvky s nedostatkem elektronů, mezi které bor patří.
*Pod dvoucentrovými a mnohocentrovými vazbami se myslí chemické vazby — interakce atomů, které charakterizují stabilitu molekuly nebo krystalu jako jedné struktury. Například dvoucentrová dvouelektronová vazba vzniká, když si 2 atomy sdílejí 2 elektrony, a dvoucentrová tříelektronová vazba vzniká mezi 2 atomy a 3 elektrony atd.
Z fyzikálního hlediska může být borofen pevnější a flexibilnější ve srovnání s grafenem. Také se předpokládá, že borofenové struktury mohou být efektivním doplňkem pro baterie, protože borofen má vysokou měrnou kapacitu a jedinečné vlastnosti elektronické vodivosti a přenosu iontů. Nicméně, zatím se jedná pouze o teorii.
Jako trojmocný prvek*, bor má alespoň 10 aloformů*. V dvourozměrné formě je podobný polymorfismus* také pozorován.
Trojmocný prvek* může vytvářet tři kovalentní vazby, jejichž valentnost je tři.
Aloformie* je, když může být jeden chemický prvek vyjádřen jako dvě či více jednoduchých látek. Například uhlík — diamant, grafen, grafit, uhlíkové nanotrubice atd.
Polymorfismus* je schopnost látky existovat v různých krystalických strukturách (polymorfních modifikacích). V případě jednoduchých látek je tento termín synonymem pro aloformii.
Vzhledem k tak širokému polymorfismu je naznačeno, že borofen může být výborným kandidátem pro vytváření nových dvourozměrných heterostruktur, protože různé konfigurace vazeb boru by měly zmírnit požadavky na sladění krystalové mřížky. Bohužel, tato otázka byla dosud zkoumána výhradně na teoretické úrovni kvůli obtížím se syntézou.
Pro běžné 2D materiály získané z objemových vrstvených krystalů mohou být vertikální heterostruktury realizovány pomocí mechanického ukládání. Na druhou stranu, dvourozměrné laterální heterostruktury vycházejí z vzestupné syntézy. A atomicky přesné laterální heterostruktury mají velký potenciál při řešení problémů s kontrolou funkčních schopností heteropřechodu, avšak kvůli kovalentní vazbě obvykle nedokonalé sladění mřížky vede k širokým a neuspořádaným rozhraním. Tudíž potenciál existuje, ale existují také problémy s jeho realizací.
V této práci se výzkumníkům podařilo integrovat borofen a grafen do jedné dvourozměrné heterostruktury. Navzdory nesouladu krystalografických mřížek a symetrie mezi borofenem a grafenem vede sekvenční depozice uhlíku a boru na substrát z Ag(111) ve zvláštním vysokém vakuu (UHV) k téměř atomově přesným laterálním heterointerface s předpokládanými zarovnáními mřížky, jakož i k vertikálním heterointerface.
Příprava na výzkum
Před výzkumem heterostruktury bylo nutné ji vyrobit. Růst grafenu a borofenu probíhal v komoře zvláštního vysokého vakua při tlaku 1x10-10 mbar.
Monokrystalický substrát Ag(111) byl čištěn opakovanými cykly disperze Ar+(1 x 10-5 mbar, energie 800 eV, 30 minut) a tepelným žíháním (550 °C, 45 minut) až do dosažení atomově čistého a plochého povrchu Ag(111).
Růst grafenu byl prováděn elektronovým paprskem odpařováním čisté (99,997%) grafitové tyče o průměru 2,0 mm na zahřátý substrát Ag (111) na 750 °C při proudu žhavení ~ 1,6 A a zrychlujícím napětí ~ 2 kV, což poskytlo emisní proud ~ 70 mA a tok uhlíku ~ 40 nA. Tlak v komoře byl 1 x 10-9 mbar.
Růst borofenu byl prováděn elektronovým paprskem odpařováním čisté (99,9999%) borové tyče na zahřátý submonovrstvový grafen na Ag (111) při teplotě 400-500 °C. Proud žhavení činil ~ 1,5 A a zrychlující napětí 1,75 kV, což poskytlo emisní proud ~ 34 mA a tok boru ~ 10 nA. Tlak v komoře během růstu borofenu byl přibližně 2 x 10-10 mbar.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1
Na obrázku 1A zobrazen STM* snímky vyrostlého grafenu, kde jsou grafenové domény nejlépe vizualizovány pomocí mapy dI/dV (1A), kde I a V — tunelový proud a posun vzorku, a – perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky), — hustota.
STM* — skenovací tunelový mikroskop.
dI/dV mapy vzorku umožnily vidět vyšší lokální hustotu stavů grafenu ve srovnání se substrátem Ag (111). V souladu s předchozími výzkumy má povrchový stav Ag (111) krokovou charakteristiku posunutou směrem k pozitivním energiím na dI/dV spektru grafenu (1B), což vysvětluje vyšší lokální hustotu stavů grafenu na 1A při 0,3 eV.
Na obrázku 1C můžeme vidět strukturu jednovrstvého grafenu, kde je jasně viditelná hexagonální mřížka a moiré suprastruktura*.
Suprastruktura* — vlastnost struktury krystalové sloučeniny, která se opakuje v určitém intervalu a vytváří tak novou strukturu s jiným obdobím střídání.
Moar* — překrývání dvou periodických mřížkových vzorů na sebe.
Při nižších teplotách růst vede k tvorbě dendritických a defektních grafenových domén. Kvůli slabým interakcím mezi grafenem a podkladovým substrátem není rotace grafenu vzhledem k podkladovému Ag (111) unikátní.
Po nanesení bóru skenovací tunelová mikroskopie (1D) ukázala přítomnost sloučení borofenových a grafenových domén. Na snímku jsou také viditelné oblasti uvnitř grafenu, které byly později určeny jako interkalovaný borofenem grafen (označeno na snímku Gr/B). V této oblasti jsou také dobře viditelné liniové prvky orientované ve třech směrech a oddělené úhlem 120 ° (žluté šipky).
Obrázek č. 2
Snímek na 2A, stejně jako 1D, potvrzují vznik lokalizovaných tmavých prohlubní (deprese) v grafenu po nanesení bóru.
Abychom lépe prozkoumali tyto útvary a zjistili jejich původ, byl pořízen další snímek téže oblasti, ale s použitím map |dlnI/dz| (2В), где I — tunelový proud, – perioda anténní mřížky (vzdálenost mezi sousedními prvky), — hustota, a od — rozdělení sonda-vzorek (mezera mezi hrotem mikroskopu a vzorkem). Použití této metodiky umožňuje získat obrázky s vysokým prostorovým rozlišením. Pro tento účel lze také použít CO nebo H2 na hrotu mikroskopu.
Obrázek 2C je snímek pořízený pomocí STM, jehož hrot byl pokryt CO. Srovnání snímků A, V a S ukazuje, že všechny atomární prvky jsou určeny jako tři sousedící jasné hexagony, položené ve dvou neekvivalentních směrech (červené a žluté trojúhelníky na snímcích).
Zvětšené obrázky této oblasti (2D) potvrzují, že tyto prvky jsou v souladu s legujícími příměsmi bóru, které zabírají dvě podmřížky grafenu, což naznačují i překrývající se struktury.
Pokrytí hrotu mikroskopu CO umožnilo odhalit geometrickou strukturu listu borofenu (2E), což by nebylo možné, kdyby hrot byl standardní (kovový) bez pokrytí CO.
Obrázek č. 3
Tvorba laterálních hetero rozhraní mezi borofenem a grafenem (3A) by mělo probíhat, když borofen roste vedle grafenových domén, ve kterých již je bor.
Vědci připomínají, že laterální heterointerface na bázi grafen-hBN (grafen + nitrid boru) mají shodu mřížek, zatímco heteropřechody na bázi dichalkogenidů přechodných kovů mají shodu symetrií. V případě grafenu/borfeny je situace poněkud odlišná — mají minimální strukturální podobnost z hlediska konstant mřížky nebo krystalové symetrie. I přes to však laterální heterointerface grafen/borfen vykazuje téměř ideální atomovou shodu, přičemž směry borového řetězce (B-row) se slučují se zigzagovými (ZZ) směry grafenu.3A). Na 3B je zobrazeno zvětšené područtí ZZ heterointerface (modré čáry označují mezifázové prvky odpovídající kovalentním vazbám boru-uhlíku).
Jelikož růst borofen se uskutečňuje při nižší teplotě než grafen, okraje grafenové domény pravděpodobně nebudou mít vysokou mobilitu při vytváření heterointerface s borfenem. To znamená, že téměř atomově přesný heterointerface je pravděpodobně výsledkem různých konfigurací a vlastností mnohotakových vazeb boru. Spektra skenovací tunelové spektroskopie (3C) a diferenciální tunelové vodivosti (3D) ukazují, že elektronový přechod z grafenu na borofen se uskutečňuje na vzdálenosti ~ 5 Å bez viditelných stavů rozhraní.
Na obrázku 3E sú zobrazeny tři spektra skenovací tunelové spektroskopie, pořizovaná podél tří tečkovaných čar na 3D, která potvrzují, že tento krátký elektronový přechod je necitlivý na lokální mezifázové struktury a je srovnatelný s podobným na hranicích borofen-stříbro.
Obrázek č. 4
Grafenová interkalace* byla také dříve široce zkoumána, avšak přeměna interkalantů na skutečné 2D vrstvy je relativně vzácným jevem.
Interkalace* je reverzibilní začlenění molekuly nebo skupiny molekul mezi dalšími molekulami nebo skupinami molekul.
Malý atomový poloměr boru a slabá interakce mezi grafenem a Ag (111) naznačují možnou interkalaci grafenu s borom. Na obrázku 4A Byly předloženy důkazy nejen o interkalaci bóru, ale i o tvorbě vertikálních borofén-grafenových heterostruktur, zejména trojúhelníkových domén obklopených grafenem. Mřížka pozorovaná na této trojúhelníkové doméně potvrzuje přítomnost grafenu. Nicméně, tento grafen vykazuje nižší lokální hustotu stavů při -50 meV ve srovnání s okolním grafenem (4B). Ve srovnání s grafenem přímo na Ag (111) chybí známky vysoké lokální hustoty stavů ve spektru dI/dV (4C, modrá křivka), odpovídající povrchovému stavu Ag (111), je prvním důkazem interkalace bóru.
Také, jak bylo očekáváno pro částečnou interkalaci, grafenová mřížka zůstává kontinuitní po celém laterálním rozhraní mezi grafenem a trojúhelníkovou oblastí (4D — odpovídá obdélníkové oblasti na 4A, obkreslené červenou tečkovanou čarou). Snímkem pořízeným pomocí CO na hrotu mikroskopu také potvrdil přítomnost substitučních nečistot bóru (4E — odpovídá obdélníkové oblasti na 4A, obkreslené žlutou tečkovanou čarou).
Během analýzy byly také používány hroty mikroskopu bez jakéhokoliv pokrytí. V takovém případě byly v interkalovaných grafenových doménách zjištěny známky jednorozměrných lineárních prvků s periodicitou 5 Å (4F a 4G). Tyto jednorozměrné struktury připomínají řady bóru v modelu borofénu. Kromě sady bodů odpovídajících grafenu, Fourierova transformace snímku na 4G zobrazuje pár ortogonálních bodů, odpovídajících obdélníkové mřížce 3 Å x 5 Å (4Н), což skvěle souhlasí s modelem borofénu. Navíc, pozorovaná trojná orientace mřížky lineárních prvků (1D) dobře souhlasí s tou samou převládající strukturou, která byla pozorována pro listy borofénu.
Všechny tyto pozorování přesvědčivě svědčí o interkalaci grafenu borofénem blízko okrajů Ag, což tedy vede k tvorbě vertikálních heterostruktur borofén-grafen, které mohou být převážně realizovány zvýšením počátečního pokrytí grafenem.
4I je schematické znázornění vertikální heterostruktury na 4H, kde je směrování řady bóru (růžová šipka) blízko zarovnáno se zigzagovým směrováním grafenu (černá šipka), čímž vzniká rotačně souměrná vertikální heterostruktura.
Pro podrobnější seznámení se s nuancemi výzkumu doporučuji nahlédnout do a k ní.
Epilog
Tato studie ukázala, že borofen je schopen vytvářet laterální a vertikální heterostruktury s grafenem. Podobné systémy mohou být použity při vývoji nových typů dvourozměrných prvků, které se využívají v nanotechnologiích, flexibilní a nositelné elektronice, stejně jako v nových typech polovodičů.
Sami výzkumníci věří, že jejich vývoj může být významným krokem vpřed pro technologie související s elektronikou. Nicméně, je obtížné říci, zda se jejich slova stanou prorockými. V tuto chvíli je potřeba ještě mnoho prozkoumat, porozumět a vynalézt, aby se ty sci-fi nápady, které naplňují mysl vědců, staly plnohodnotnou realitou.
Děkuji za pozornost, zůstaňte zvědaví a všem přeji dobrý pracovní týden, kluci. 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavých materiálů? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením známým, 30 % sleva pro uživatele Habra na jedinečný analog entry-level serverů, který jsme pro vás vymysleli: (k dispozici varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovinu ceny? Jen u nás v Nizozemsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Čtěte o tom
Zdroj: habr.com
