„Mutace je klíčem k odhalení tajemství evoluce. Cesta vývoje od nejjednoduššího organismu k dominantnímu biologickému druhu trvá tisíce let. Ale každých sto tisíc let dochází v evoluci k prudkému skoku vpřed“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Pokud odmyslíme všechny sci-fi prvky přítomné v komiksech a filmech, pak jsou slova profesora X zcela pravdivá. Vývoj něčeho probíhá většinou rovnoměrně, ale někdy dochází ke skokům, které mají obrovský dopad na celý proces. To se týká nejen evoluce druhů, ale i evoluce techniky, jejímž hlavním tahounem jsou lidé, jejich výzkumy a vynálezy. Dnes se seznámíme se studií, která je podle jejích autorů skutečným evolučním skokem v nanotechnologii. Jak se vědcům z Northwestern University (USA) podařilo vytvořit novou dvourozměrnou heterostrukturu, proč byly jako základ vybrány grafen a borofen a jaké vlastnosti by takový systém mohl mít? O tom nám řekne zpráva výzkumné skupiny. Jít.
Výzkumná základna
Termín „grafen“ jsme slyšeli mnohokrát, jde o dvourozměrnou modifikaci uhlíku, která se skládá z vrstvy atomů uhlíku o tloušťce 1 atom. Ale „borofen“ je extrémně vzácný. Tento termín se vztahuje na dvourozměrný krystal sestávající výhradně z atomů boru (B). Možnost existence borofenu byla poprvé předpovězena již v polovině 90. let, ale v praxi byla tato struktura získána až v roce 2015.
Atomová struktura borofenu se skládá z trojúhelníkových a šestiúhelníkových prvků a je důsledkem interakce mezi dvoucentrovými a vícecentrovými v rovině vazeb, což je velmi typické pro elektronově deficitní prvky, mezi které patří i bór.
*Dvoucentrovými a vícecentrovými vazbami rozumíme chemické vazby - interakce atomů, které charakterizují stabilitu molekuly nebo krystalu jako jediné struktury. Například dvoustředová dvouelektronová vazba nastane, když 2 atomy sdílejí 2 elektrony, a dvoustředová tříelektronová vazba nastane, když 2 atomy a 3 elektrony atd.
Z fyzikálního hlediska může být borofen silnější a pružnější než grafen. Předpokládá se také, že borofenové struktury by mohly být účinným doplňkem pro baterie, protože borofen má vysokou specifickou kapacitu a jedinečnou elektronickou vodivost a vlastnosti přenosu iontů. V tuto chvíli je to však pouze teorie.
Bytí trojmocný prvek*, bór má alespoň 10 allotropy*. Ve dvourozměrné podobě podobně polymorfismus* je také dodržován.
Trojmocný prvek* schopné tvořit tři kovalentní vazby, jejichž valence je tři.
Alotropie* - když jeden chemický prvek může být přítomen ve formě dvou nebo více jednoduchých látek. Jako příklad uhlík - diamant, grafen, grafit, uhlíkové nanotrubice atd.
Polymorfismus* - schopnost látky existovat v různých krystalových strukturách (polymorfní modifikace). V případě jednoduchých látek je tento termín synonymem pro alotropii.
Vzhledem k tomuto širokému polymorfismu se navrhuje, že borofen může být vynikajícím kandidátem pro vytváření nových dvourozměrných heterostruktur, protože různé konfigurace vazby boru by měly uvolnit požadavky na přizpůsobení mřížky. Bohužel tato problematika byla dříve pro obtížnost syntézy studována výhradně v teoretické rovině.
U konvenčních 2D materiálů získaných z hromadných vrstvených krystalů lze vertikální heterostruktury realizovat pomocí mechanického stohování. Na druhé straně jsou dvourozměrné laterální heterostruktury založeny na syntéze zdola nahoru. Atomově přesné laterální heterostruktury mají velký potenciál při řešení problémů funkčního řízení heteropřechodů, avšak díky kovalentní vazbě má nedokonalé sladění mřížky typicky za následek široká a neuspořádaná rozhraní. Potenciál tedy existuje, ale jsou zde také problémy s jeho realizací.
V této práci se vědcům podařilo integrovat borofen a grafen do jedné dvourozměrné heterostruktury. Navzdory nesouladu a symetrii krystalografické mřížky mezi borofenem a grafenem vede sekvenční ukládání uhlíku a boru na substrát Ag(111) pod ultravysokým vakuem (UHV) k téměř atomově přesným bočním heterointerfacem s předpokládaným uspořádáním mřížky, stejně jako k vertikálním heterointerfacem .
Příprava na výzkum
Před studiem heterostruktury bylo nutné ji vyrobit. Růst grafenu a borofenu byl proveden v ultravysoké vakuové komoře s tlakem 1x10-10 milibarů.
Monokrystalový Ag(111) substrát byl vyčištěn opakovanými cykly Ar+ naprašováním (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minut) a tepelným žíháním (550 °C, 45 minut), aby se získal atomově čistý a plochý Ag( 111) povrch.
Grafen byl pěstován odpařováním čistého (99,997 %) grafitové tyčinky elektronovým paprskem o průměru 2.0 mm na Ag (750) substrát zahřátý na 111 °C při topném proudu ~ 1.6 A a urychlovacím napětí ~ 2 kV , což dává emisní proud ~ 70 mA a uhlíkový tok ~ 40 nA. Tlak v komoře byl 1 x 10-9 milibarů.
Borofen byl pěstován odpařováním čistého (99,9999 %) boru elektronovým svazkem na submonovrstvém grafenu na Ag (400) zahřátém na 500-111 °C. Proud vlákna byl ~1.5 A a urychlovací napětí bylo 1.75 kV, což dává emisní proud ~34 mA a tok boru ~10 nA. Tlak v komoře během růstu borofenu byl přibližně 2 x 10-10 milibarů.
Výsledky výzkumu
Obrázek č. 1
Na obrázku 1А zobrazeno STM* snímek pěstovaného grafenu, kde jsou grafenové domény nejlépe vizualizovány pomocí mapy dI/dV (1V) kde I и V jsou tunelovací proud a posun vzorku a d - hustota.
STM* — rastrovací tunelový mikroskop.
dI/dV mapy vzorku nám umožnily vidět vyšší lokální hustotu stavů grafenu ve srovnání se substrátem Ag(111). V souladu s předchozími studiemi má povrchový stav Ag (111) skokovou charakteristiku, posunutou směrem ke kladným energiím o dI/dV spektrum grafenu (1S), což vysvětluje vyšší lokální hustotu stavů grafenu na 1V při 0.3 eV.
Na obrázku 1D můžeme vidět strukturu jednovrstvého grafenu, kde je voštinová mřížka a moaré nástavba*.
Nástavba* - znak struktury krystalické sloučeniny, která se v určitém intervalu opakuje a vytváří tak novou strukturu s různou periodou střídání.
moaré* - superpozice dvou periodických síťových vzorů na sobě.
Při nižších teplotách vede růst k tvorbě dendritických a defektních grafenových domén. Kvůli slabým interakcím mezi grafenem a podkladovým substrátem není rotační zarovnání grafenu vzhledem k podkladovému Ag(111) jedinečné.
Po nanesení boru skenovací tunelová mikroskopie (1E) ukázaly přítomnost kombinace borofenových a grafenových domén. Na obrázku jsou také viditelné oblasti uvnitř grafenu, které byly později identifikovány jako grafen interkalovaný s borofenem (označeno na obrázku Gr/B). V této oblasti jsou také dobře viditelné lineární prvky orientované ve třech směrech a oddělené úhlem 120° (žluté šipky).
Obrázek č. 2
Foto zapnuto 2АJak 1E, potvrzují výskyt lokalizovaných tmavých prohlubní v grafenu po depozici boru.
Aby bylo možné tyto útvary lépe prozkoumat a zjistit jejich původ, byla pořízena další fotografie téže oblasti, avšak pomocí map |dlnI/dz| (2B), kde I — tunelový proud, d je hustota a z — oddělení sondy od vzorku (mezera mezi jehlou mikroskopu a vzorkem). Použití této techniky umožňuje získat snímky s vysokým prostorovým rozlišením. K tomu můžete také použít CO nebo H2 na jehle mikroskopu.
Изображение 2S je snímek získaný pomocí STM, jehož hrot byl potažen CO. Porovnání obrázků А, В и С ukazuje, že všechny atomové prvky jsou definovány jako tři sousední jasné šestiúhelníky nasměrované ve dvou neekvivalentních směrech (červený a žlutý trojúhelník na fotografiích).
Zvětšené obrázky této oblasti (2D) potvrzují, že tyto prvky jsou v souladu s nečistotami dopujících bor, které zabírají dvě grafenové podmřížky, jak naznačují superponované struktury.
CO povlak jehly mikroskopu umožnil odhalit geometrickou strukturu borofenového listu (2E), což by bylo nemožné, pokud by jehla byla standardní (kovová) bez CO povlaku.
Obrázek č. 3
Tvorba laterálních heterointerface mezi borofenem a grafenem (3А) by mělo nastat, když borofen roste vedle grafenových domén, které již obsahují bor.
Vědci připomínají, že laterální heterointerface na bázi grafenu-hBN (grafen + nitrid boru) mají mřížkovou konzistenci a heteropřechody založené na dichalkogenidech přechodných kovů mají konzistenci symetrie. V případě grafenu/borofenu je situace mírně odlišná – mají minimální strukturní podobnost, pokud jde o mřížkové konstanty nebo krystalovou symetrii. Navzdory tomu však laterální grafen/borofen heterointerface demonstruje téměř dokonalou atomovou konzistenci, přičemž směry řady bóru (řada B) jsou zarovnány s klikatými (ZZ) směry grafenu (3А). Na 3V je zobrazen zvětšený obraz oblasti ZZ heterointerface (modré čáry označují mezifázové prvky odpovídající kovalentním vazbám bór-uhlík).
Protože borofen roste při nižší teplotě ve srovnání s grafenem, je nepravděpodobné, že by okraje grafenové domény měly vysokou mobilitu při vytváření heterointerface s borofenem. Proto je téměř atomově přesné heterointerface pravděpodobně výsledkem různých konfigurací a charakteristik vícemístných borových vazeb. Skenovací tunelová spektroskopická spektra (3S) a diferenciální vodivost tunelu (3D) ukazují, že elektronický přechod z grafenu na borofen nastává na vzdálenost ~5 Á bez viditelných stavů rozhraní.
Na obrázku 3E Jsou zobrazena tři spektra skenovací tunelové spektroskopie pořízená podél tří přerušovaných čar ve 3D, která potvrzují, že tento krátký elektronický přechod je necitlivý k místním strukturám rozhraní a je srovnatelný s přechodem na rozhraních borofen-stříbro.
Obrázek č. 4
Grafen interkalace* byl také dříve široce studován, ale konverze interkalantů na skutečné 2D listy je poměrně vzácná.
Interkalace* - reverzibilní zařazení molekuly nebo skupiny molekul mezi jiné molekuly nebo skupiny molekul.
Malý atomový poloměr boru a slabá interakce mezi grafenem a Ag(111) naznačují možnou interkalaci grafenu s borem. Na obrázku 4А jsou předloženy důkazy nejen o interkalaci boru, ale také o tvorbě vertikálních heterostruktur borofen-grafen, zejména trojúhelníkových domén obklopených grafenem. Voštinová mřížka pozorovaná na této trojúhelníkové doméně potvrzuje přítomnost grafenu. Tento grafen však vykazuje nižší lokální hustotu stavů při -50 meV ve srovnání s okolním grafenem (4V). Ve srovnání s grafenem přímo na Ag(111) neexistuje žádný důkaz o vysoké lokální hustotě stavů ve spektru dI/dV (4C, modrá křivka), odpovídající povrchovému stavu Ag(111), je prvním důkazem interkalace boru.
Také, jak se očekávalo pro částečnou interkalaci, mřížka grafenu zůstává spojitá v celém bočním rozhraní mezi grafenem a trojúhelníkovou oblastí (4D - odpovídá obdélníkové ploše na 4А, zakroužkované červenou tečkovanou čarou). Snímek pomocí CO na jehle mikroskopu také potvrdil přítomnost nečistot nahrazujících bor (4E - odpovídá obdélníkové ploše na 4А, zakroužkované žlutou tečkovanou čarou).
Při analýze byly také použity mikroskopické jehly bez jakéhokoli povlaku. V tomto případě byly v interkalovaných grafenových doménách odhaleny znaky jednorozměrných lineárních prvků s periodicitou 5 Å (4F и 4G). Tyto jednorozměrné struktury připomínají řady boru v borofenovém modelu. Kromě sady bodů odpovídajících grafenu, Fourierova transformace obrazu do 4G zobrazuje dvojici ortogonálních bodů odpovídajících obdélníkové mříži 3 Å x 5 Å (4H), který je ve výborné shodě s borofenovým modelem. Navíc pozorovaná trojitá orientace pole lineárních prvků (1E) dobře souhlasí se stejnou převládající strukturou pozorovanou u borofenových desek.
Všechna tato pozorování silně naznačují interkalaci grafenu borofenem v blízkosti okrajů Ag, což následně vede k vytvoření vertikálních heterostruktur borofen-grafen, které lze výhodně realizovat zvýšením počátečního pokrytí grafenem.
4I je schematické znázornění vertikální heterostruktury na 4H, kde směr řady bóru (růžová šipka) je těsně zarovnán s klikatým směrem grafenu (černá šipka), čímž tvoří rotačně proporcionální vertikální heterostrukturu.
Pro podrobnější seznámení s nuancemi studie doporučuji nahlédnout и jemu.
Epilog
Tato studie ukázala, že borofen je docela schopný tvořit laterální a vertikální heterostruktury s grafenem. Takové systémy lze využít při vývoji nových typů dvourozměrných prvků používaných v nanotechnologiích, flexibilní a nositelné elektronice i nových typů polovodičů.
Sami výzkumníci věří, že jejich vývoj by mohl být silným posunem vpřed pro technologie související s elektronikou. Stále je však těžké s jistotou říci, že se jejich slova stanou prorockými. V tuto chvíli je stále co zkoumat, chápat a vymýšlet, aby se ty sci-fi nápady, které naplňují mysl vědců, staly plnohodnotnou realitou.
Děkuji za přečtení, buďte zvědaví a mějte skvělý týden, přátelé. 🙂
Děkujeme, že s námi zůstáváte. Líbí se vám naše články? Chcete vidět více zajímavého obsahu? Podpořte nás objednávkou nebo doporučením přátelům, 30% sleva pro uživatele Habr na unikátní obdobu entry-level serverů, kterou jsme pro vás vymysleli: (k dispozici s RAID1 a RAID10, až 24 jader a až 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2x levnější? Pouze zde V Nizozemsku! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB – od 99 $! Číst o
Zdroj: www.habr.com