“Treigladu yw'r allwedd i ddatrys dirgelwch esblygiad. Mae llwybr datblygiad o'r organeb symlaf i'r rhywogaeth fiolegol dominyddol yn para miloedd o flynyddoedd. Ond bob can mil o flynyddoedd mae naid sydyn ymlaen mewn esblygiad" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Os byddwn yn taflu’r holl elfennau ffuglen wyddonol sy’n bresennol mewn comics a ffilmiau, yna mae geiriau Athro X yn hollol wir. Mae datblygiad rhywbeth yn mynd rhagddo'n gyfartal y rhan fwyaf o'r amser, ond weithiau mae neidiau sy'n cael effaith enfawr ar y broses gyfan. Mae hyn yn berthnasol nid yn unig i esblygiad rhywogaethau, ond hefyd i esblygiad technoleg, y prif yrrwr yw pobl, eu hymchwil a'u dyfeisiadau. Heddiw, byddwn yn dod yn gyfarwydd ag astudiaeth sydd, yn ôl ei hawduron, yn naid esblygiadol go iawn mewn nanotechnoleg. Sut llwyddodd gwyddonwyr o Brifysgol Gogledd-orllewinol (UDA) i greu heterostructure dau ddimensiwn newydd, pam y dewiswyd graphene a borophene fel sail, a pha briodweddau a allai fod gan system o'r fath? Bydd adroddiad y grŵp ymchwil yn dweud wrthym am hyn. Ewch.
Sail ymchwil
Rydym wedi clywed y term “graphene” lawer gwaith; mae'n addasiad dau ddimensiwn o garbon, sy'n cynnwys haen o atomau carbon 1 atom o drwch. Ond mae “borofen” yn hynod o brin. Mae'r term hwn yn cyfeirio at grisial dau ddimensiwn sy'n cynnwys atomau boron (B) yn unig. Rhagwelwyd y posibilrwydd o fodolaeth borophene gyntaf yn ôl yng nghanol y 90au, ond yn ymarferol dim ond erbyn 2015 y cafwyd y strwythur hwn.
Mae adeiledd atomig borophene yn cynnwys elfennau trionglog a hecsagonol ac mae'n ganlyniad i'r rhyngweithio rhwng bondiau awyren dwy-ganolfan ac aml-ganolfan, sy'n nodweddiadol iawn ar gyfer elfennau electron-ddiffyg, sy'n cynnwys boron.
*Wrth fondiau dau-ganolfan ac amlganolbwynt rydym yn golygu bondiau cemegol - rhyngweithiadau atomau sy'n nodweddu sefydlogrwydd moleciwl neu grisial fel un strwythur. Er enghraifft, mae bond dwy-electron dwy ganolfan yn digwydd pan fydd 2 atom yn rhannu 2 electron, ac mae bond tair electron dwy ganolfan yn digwydd pan fydd 2 atom a 3 electron, ac ati.
O safbwynt ffisegol, gall borophene fod yn gryfach ac yn fwy hyblyg na graphene. Credir hefyd y gallai strwythurau borophene fod yn gyflenwad effeithiol ar gyfer batris oherwydd bod gan borophene allu penodol uchel ac eiddo dargludedd electronig unigryw a thrafnidiaeth ïon. Fodd bynnag, dim ond theori yw hon ar hyn o bryd.
Bod elfen trifalent*, mae gan boron o leiaf 10 alotropau*. Mewn ffurf dau-ddimensiwn, tebyg polymorphism* yn cael ei arsylwi hefyd.
Elfen trifalent* gallu ffurfio tri bond cofalent, a'u falens yw tri.
alotropi* - pryd y gellir cyflwyno un elfen gemegol ar ffurf dau neu fwy o sylweddau syml. Er enghraifft, carbon - diemwnt, graphene, graffit, nanotiwbiau carbon, ac ati.
Amryffurfiaeth* - gallu sylwedd i fodoli mewn gwahanol strwythurau crisial (addasiadau polymorffig). Yn achos sylweddau syml, mae'r term hwn yn gyfystyr ag allotropi.
O ystyried yr amryffurfedd eang hwn, awgrymir y gallai borophene fod yn ymgeisydd ardderchog ar gyfer creu heterostructures dau ddimensiwn newydd, gan y dylai gwahanol ffurfweddiadau bondio boron lacio'r gofynion paru dellt. Yn anffodus, astudiwyd y mater hwn yn flaenorol yn gyfan gwbl ar y lefel ddamcaniaethol oherwydd anawsterau mewn synthesis.
Ar gyfer deunyddiau 2D confensiynol a geir o grisialau haenog swmp, gellir gwireddu heterostructures fertigol gan ddefnyddio pentyrru mecanyddol. Ar y llaw arall, mae heterostructures ochrol dau-ddimensiwn yn seiliedig ar synthesis gwaelod i fyny. Mae gan heterostrwythurau ochrol manwl gywir botensial mawr i ddatrys problemau rheoli swyddogaeth heterojunction, fodd bynnag, oherwydd bondio cofalent, mae paru dellt amherffaith yn nodweddiadol yn arwain at ryngwynebau eang ac anhrefnus. Felly, mae potensial, ond mae problemau hefyd o ran ei wireddu.
Yn y gwaith hwn, llwyddodd yr ymchwilwyr i integreiddio borophene a graphene yn un heterostructure dau ddimensiwn. Er gwaethaf y diffyg cyfatebiaeth dellt grisialogaidd a chymesuredd rhwng borophene a graphene, mae dyddodiad dilyniannol o garbon a boron ar swbstrad Ag(111) o dan wactod tra-uchel (UHV) yn arwain at heterointerfaces ochrol bron yn atomig fanwl gywir gydag aliniadau dellt a ragwelir, yn ogystal â rhyngwynebau hetero fertigol. .
Paratoi astudiaeth
Cyn astudio'r heterostructure, roedd yn rhaid ei ffugio. Cynhaliwyd twf graphene a borophene mewn siambr gwactod uwch-uchel gyda phwysedd o 1x10-10 milibar.
Glanhawyd y swbstrad grisial sengl Ag(111) gan gylchredau dro ar ôl tro o sputtering Ar+ (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 munud) ac anelio thermol (550 ° C, 45 munud) i gael Ag yn atomig lân a gwastad ( 111) arwyneb. .
Tyfwyd graphene gan anweddiad pelydr electron o wialen graffit pur (99,997%) gyda diamedr o 2.0 mm ar swbstrad Ag (750) wedi'i gynhesu i 111 ° C ar gerrynt gwresogi o ~ 1.6 A a foltedd cyflymu o ~ 2 kV , sy'n rhoi cerrynt allyrru o ~ 70 mA a fflwcs carbon ~40 NA. Y pwysau yn y siambr oedd 1 x 10-9 milibar.
Tyfwyd boroffen trwy anweddiad pelydr electron o wialen boron pur (99,9999%) ar haenen ismonograffen ar Ag (400) wedi'i gynhesu i 500-111 °C. Y cerrynt ffilament oedd ~1.5 A a'r foltedd cyflymu oedd 1.75 kV, sy'n rhoi cerrynt allyrru o ~34 mA a fflwcs boron o ~10 NA. Roedd y pwysau yn y siambr yn ystod twf borophene tua 2 x 10-10 milibar.
Canlyniadau ymchwil
Delwedd #1
Ar y ddelwedd 1A dangosir STM* cipolwg o graffene wedi'i dyfu, lle mae'n well delweddu'r parthau graphene gan ddefnyddio map dI/dV (1V) lle I и V yw'r cerrynt twnelu a dadleoli sampl, a d - dwysedd.
STM* — microsgop twnelu sganio.
dI/dV roedd mapiau o'r sampl yn ein galluogi i weld dwysedd lleol uwch o daleithiau graphene o'i gymharu â'r swbstrad Ag(111). Yn unol ag astudiaethau blaenorol, mae gan gyflwr arwyneb Ag (111) nodwedd gam, wedi'i symud tuag at egni cadarnhaol gan dI/dV sbectrwm o graphene (1S), sy'n esbonio'r dwysedd lleol uwch o daleithiau graphene ymlaen 1V ar 0.3 eV.
Ar y ddelwedd 1D gallwn weld strwythur graphene un-haen, lle y dellt diliau a aradeiledd moiré*.
Uwch-strwythur* - nodwedd o strwythur cyfansoddyn crisialog sy'n ailadrodd ar gyfnod penodol ac felly'n creu strwythur newydd gyda chyfnod eiledol gwahanol.
Moire* - arosodiad dau batrwm rhwyll cyfnodol ar ben ei gilydd.
Ar dymheredd is, mae twf yn arwain at ffurfio parthau graphene dendritig a diffygiol. Oherwydd rhyngweithiadau gwan rhwng graphene a'r swbstrad gwaelodol, nid yw aliniad cylchdro graphene mewn perthynas â'r Ag(111) gwaelodol yn unigryw.
Ar ôl dyddodiad boron, sganio microsgopeg twnelu (1E) yn dangos presenoldeb cyfuniad o barthau borophene a graphene. Hefyd yn weladwy yn y ddelwedd mae rhanbarthau y tu mewn i'r graphene, a gafodd eu hadnabod yn ddiweddarach fel graphene wedi'u rhyngosod â borophene (a nodir yn y ddelwedd Gr/B). Mae elfennau llinellol sydd wedi'u cyfeirio i dri chyfeiriad ac wedi'u gwahanu gan ongl o 120 ° hefyd i'w gweld yn glir yn yr ardal hon (saethau melyn).
Delwedd #2
Llun ymlaen 2Ahefyd 1E, cadarnhau ymddangosiad pantiau tywyll lleol mewn graphene ar ôl dyddodiad boron.
Er mwyn archwilio'r ffurfiannau hyn yn well a darganfod eu tarddiad, tynnwyd llun arall o'r un ardal, ond gan ddefnyddio mapiau |dlnI/dz| (2B), lle I - cerrynt twnnel, d yw'r dwysedd, a z — gwahaniad sampl archwilio (y bwlch rhwng nodwydd y microsgop a'r sampl). Mae defnyddio'r dechneg hon yn ei gwneud hi'n bosibl cael delweddau â chydraniad gofodol uchel. Gallwch hefyd ddefnyddio CO neu H2 ar y nodwydd microsgop ar gyfer hyn.
Изображение 2S yn ddelwedd a gafwyd gan ddefnyddio STM yr oedd ei flaen wedi'i gorchuddio â CO. Cymhariaeth o ddelweddau А, В и С yn dangos bod yr holl elfennau atomig yn cael eu diffinio fel tri hecsagon llachar cyfagos wedi'u cyfeirio i ddau gyfeiriad anghyfartal (trionglau coch a melyn yn y ffotograffau).
Delweddau mwy o'r ardal hon (2D) cadarnhau bod yr elfennau hyn yn cyd-fynd ag amhureddau dopant boron, gan feddiannu dau sublattices graphene, fel y nodir gan y strwythurau arosodedig.
Roedd cotio CO o'r nodwydd microsgop yn ei gwneud hi'n bosibl datgelu strwythur geometrig y ddalen borophene (2E), a fyddai'n amhosibl pe bai'r nodwydd yn safonol (metel) heb orchudd CO.
Delwedd #3
Ffurfiant hetero-wynebau ochrol rhwng borophene a graphene (3A) ddigwydd pan fydd borophene yn tyfu wrth ymyl parthau graphene sydd eisoes yn cynnwys boron.
Mae gwyddonwyr yn atgoffa bod gan heterointerfaces ochrol sy'n seiliedig ar graphene-hBN (graphene + boron nitride) gysondeb dellt, a heterojunctions sy'n seiliedig ar deuchalcogenides metel trosiannol yn cael cysondeb cymesuredd. Yn achos graphene/borophene, mae'r sefyllfa ychydig yn wahanol - ychydig iawn o debygrwydd strwythurol sydd ganddynt o ran cysonion dellt neu gymesuredd grisial. Fodd bynnag, er gwaethaf hyn, mae'r heterointerface graphene/borophene ochrol yn dangos cysondeb atomig bron yn berffaith, gyda chyfarwyddiadau rhes boron (rhes B) wedi'u halinio â chyfarwyddiadau igam-ogam (ZZ) graphene (3A) Ar y 3V dangosir delwedd chwyddedig o ranbarth ZZ y rhyngwyneb hetero (mae llinellau glas yn dynodi elfennau rhyngwynebol sy'n cyfateb i fondiau cofalent boron-carbon).
Gan fod borophene yn tyfu ar dymheredd is o'i gymharu â graphene, mae ymylon y parth graphene yn annhebygol o fod â symudedd uchel wrth ffurfio rhyngwyneb heterophene â borophene. Felly, mae'r heterointerface bron yn atomig fanwl gywir yn debygol o ganlyniad i wahanol ffurfweddiadau a nodweddion bondiau boron aml-safle. Sbectra sbectrosgopeg twnelu sganio (3S) a dargludedd twnnel gwahaniaethol (3D) dangos bod y trawsnewidiad electronig o graphene i borophene yn digwydd dros bellter o ~5 Å heb unrhyw gyflyrau rhyngwyneb gweladwy.
Ar y ddelwedd 3E Dangosir tri sbectra sbectrosgopeg twnelu sganio a gymerwyd ar hyd y tair llinell doredig mewn 3D, sy'n cadarnhau bod y trawsnewidiad electronig byr hwn yn ansensitif i strwythurau rhyngwyneb lleol a'i fod yn debyg i'r hyn a geir ar ryngwynebau borophene-arian.
Delwedd #4
Graffen intercalation* hefyd wedi'i astudio'n eang o'r blaen, ond mae trosi intercalants yn ddalennau 2D gwirioneddol yn gymharol brin.
Rhyngosod* - cynhwysiant cildroadwy moleciwl neu grŵp o foleciwlau rhwng moleciwlau eraill neu grwpiau o foleciwlau.
Mae radiws atomig bach boron a'r rhyngweithiad gwan rhwng graphene ac Ag(111) yn awgrymu bod graffen yn cydblethu â boron. Yn y ddelwedd 4A cyflwynir tystiolaeth nid yn unig o intercalation boron, ond hefyd o ffurfio heterostrwythurau borophene-graphene fertigol, yn enwedig parthau trionglog wedi'u hamgylchynu gan graphene. Mae'r dellt diliau a welir ar y parth trionglog hwn yn cadarnhau presenoldeb graphene. Fodd bynnag, mae'r graphene hwn yn arddangos dwysedd lleol is o daleithiau ar -50 meV o'i gymharu â graphene amgylchynol (4V). O'i gymharu â graphene yn uniongyrchol ar Ag(111), nid oes tystiolaeth o ddwysedd lleol uchel o gyflyrau yn y sbectrwm dI/dV (4C, cromlin las), sy'n cyfateb i gyflwr arwyneb Ag(111), yw'r dystiolaeth gyntaf o intercalation boron.
Hefyd, yn ôl y disgwyl ar gyfer intercalation rhannol, mae'r dellt graphene yn parhau i fod yn barhaus trwy gydol y rhyngwyneb ochrol rhwng y graphene a'r rhanbarth trionglog (4D - yn cyfateb i ardal hirsgwar ar 4A, wedi'i gylchu mewn llinell ddotiog goch). Roedd delwedd yn defnyddio CO ar nodwydd microsgop hefyd yn cadarnhau presenoldeb amhureddau amnewid boron (4E - yn cyfateb i ardal hirsgwar ar 4A, wedi'i gylchu mewn llinell ddotiog felen).
Defnyddiwyd nodwyddau microsgop heb unrhyw orchudd hefyd yn ystod y dadansoddiad. Yn yr achos hwn, datgelwyd arwyddion o elfennau llinellol un-dimensiwn gyda chyfnodoldeb o 5 Å yn y parthau graphene rhyngosodedig (4F и 4G). Mae'r strwythurau un dimensiwn hyn yn debyg i'r rhesi boron yn y model borophene. Yn ogystal â'r set o bwyntiau sy'n cyfateb i graphene, mae'r Fourier yn trawsnewid y ddelwedd yn 4G yn dangos pâr o bwyntiau orthogonol sy'n cyfateb i dellt hirsgwar 3 Å x 5 Å (4H), sydd mewn cytundeb rhagorol â'r model borophene. Yn ogystal, mae'r cyfeiriadedd triphlyg a arsylwyd o'r amrywiaeth o elfennau llinol (1E) yn cytuno'n dda â'r un strwythur pennaf a welwyd ar gyfer dalennau borophene.
Mae'r holl arsylwadau hyn yn awgrymu'n gryf y rhyngosod graphene gan borophene ger ymylon Ag, sydd o ganlyniad yn arwain at ffurfio heterostrwythurau borophene-graphene fertigol, y gellir eu gwireddu'n fanteisiol trwy gynyddu cwmpas cychwynnol graphene.
4I yn gynrychioliad sgematig o heterostrwythur fertigol ymlaen 4H, lle mae cyfeiriad y rhes boron (saeth binc) wedi'i alinio'n agos â chyfeiriad igam-ogam graphene (saeth ddu), gan ffurfio heterostructure fertigol cymesurol cylchdro.
I gael adnabyddiaeth fanylach o naws yr astudiaeth, rwy'n argymell edrych arno и iddo fe.
Epilogue
Dangosodd yr astudiaeth hon fod borophene yn eithaf galluog i ffurfio heterostructures ochrol a fertigol gyda graphene. Gellir defnyddio systemau o'r fath wrth ddatblygu mathau newydd o elfennau dau ddimensiwn a ddefnyddir mewn nanotechnoleg, electroneg hyblyg a gwisgadwy, yn ogystal â mathau newydd o lled-ddargludyddion.
Mae'r ymchwilwyr eu hunain yn credu y gallai eu datblygiad fod yn hwb pwerus ar gyfer technolegau sy'n gysylltiedig ag electroneg. Fodd bynnag, mae'n dal yn anodd dweud yn sicr y bydd eu geiriau'n dod yn broffwydol. Ar hyn o bryd, mae llawer i'w ymchwilio, ei ddeall a'i ddyfeisio o hyd fel bod y syniadau ffuglen wyddonol hynny sy'n llenwi meddyliau gwyddonwyr yn dod yn realiti llawn.
Diolch am ddarllen, arhoswch yn chwilfrydig a chael wythnos wych bois. 🙂
Diolch am aros gyda ni. Ydych chi'n hoffi ein herthyglau? Eisiau gweld cynnwys mwy diddorol? Cefnogwch ni trwy osod archeb neu argymell i ffrindiau, Gostyngiad o 30% i ddefnyddwyr Habr ar analog unigryw o weinyddion lefel mynediad, a ddyfeisiwyd gennym ni ar eich cyfer chi: (ar gael gyda RAID1 a RAID10, hyd at 24 craidd a hyd at 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 gwaith yn rhatach? Dim ond yma yn yr Iseldiroedd! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - o $99! Darllenwch am
Ffynhonnell: hab.com