»Mutation is the key to unlocking the mystery of evolution. The development path from the simplest organism to the dominant biological species spans millennia. Yet, every hundred thousand years, there occurs a sudden leap forward in evolution« (Charles Xavier, X-Men, 2000). Stripping away all the science fiction elements present in comics and films, Professor X's words hold truth. The development of anything progresses steadily for most of the time, but occasionally leaps occur that have a tremendous impact on the entire process. This applies not only to the evolution of species but also to the evolution of technologies, driven primarily by humans, their research, and inventions. Today, we will get acquainted with a study that, according to its authors, represents a true evolutionary leap in nanotechnology. How scientists from Northwestern University (USA) succeeded in creating a new two-dimensional heterostructure, why graphene and borophene were chosen as the basis, and what properties such a system might possess? This will be revealed to us by the research group's report. Let's go.
Basis for undersøgelsen
The term 'graphene' we have heard many times before—it is a two-dimensional modification of carbon made up of a layer of carbon atoms just one atom thick. However, 'borophene' is a term encountered very rarely. This term refers to a two-dimensional crystal made entirely of boron (B) atoms. The possibility of borophene's existence was first predicted back in the mid-90s, but it wasn't until 2015 that this structure was successfully produced in practice.
The atomic structure of borophene consists of triangular and hexagonal elements and results from the interplay between two-center and multi-center intra-plane bonds, which is very typical for elements that are electron-deficient, such as boron.
*Two-center and multi-center bonds refer to chemical bonds—the interactions between atoms that characterize the stability of a molecule or crystal as a unified structure. For example, a two-center two-electron bond occurs when 2 atoms share 2 electrons between them, while a two-center three-electron bond involves 2 atoms and 3 electrons, and so on.
Fra et fysisk synspunkt kan borofen være mere holdbart og fleksibelt sammenlignet med grafen. Det menes også, at borofenstrukturer kan være en effektiv tilføjelse til batterier, da borofen har en høj specifik kapacitet og unikke egenskaber i elektrisk ledningsevne og iontransport. Dog er dette i øjeblikket kun en teori.
Som et trevalueringselement*, har bor mindst 10 allotroper*. I sin to-dimensionale form ses en sådan polymorfi* også.
Trevalueringselementet* kan danne tre kovalente bindinger, hvis valens er tre.
Allotropi* er, når et kemisk element kan findes i form af to eller flere enkle stoffer. For eksempel er kulstof - diamant, grafen, grafit, kulstofnanorør osv.
Polymorfi* er stoffers evne til at eksistere i forskellige krystallinske strukturer (polymorfe modificationer). I tilfælde af enkle stoffer er denne betegnelse synonym med allotropi.
I betragtning af en så bred polymorfi opstår der en antagelse om, at borofen kan være en fremragende kandidat til at skabe nye to-dimensionale heterostrukturer, da forskellige konfigurationer af borbindinger bør svække kravene til gittertilpasning. Desværre er dette spørgsmål tidligere kun blevet undersøgt på et teoretisk niveau på grund af udfordringerne ved syntese.
For almindelige 2D-materialer udvundet fra volumetriske lagdelte krystaller kan vertikale heterostrukturer realiseres ved mekanisk stabling. På den anden side er to-dimensionale laterale heterostrukturer baseret på opadgående syntese. Atomart præcise laterale heterostrukturer har et stort potentiale til at løse problemer med kontrol over de funktionelle egenskaber ved heteroovergange, men på grund af kovalent binding fører en ufuldkommen gittertilpasning normalt til brede og uordnede grænseflader. Derfor er der potentiale, men der er også problemer med at realisere det.
I dette arbejde lykkedes det forskerne at integrere borofen og grafen i en enkelt to-dimensionel heterostruktur. På trods af forskelle i de krystallografiske gitter og symmetri mellem borofen og grafen, fører sekventiel aflejring af kulstof og bor på et underlag af Ag(111) i ultra-højt vakuum (UHV) til næsten atomtynde laterale heterointerfaces med forventede gitterjusteringer samt vertikale heterointerfaces.
Forberedelse til undersøgelsen
Før undersøgelsen af heterostrukturen skulle den konstrueres. Væksten af grafen og borofen fandt sted i et ultra-højt vakuum kammer med et tryk på 1x10-10 millibar.
Den monokrystallinske underlag Ag(111) blev renset ved hjælp af gentagne cykler af Ar+-sputtering (1 x 10-5 millibar, energi 800 eV, 30 minutter) og termisk annealing (550 °C, 45 minutter) indtil der blev opnået en atomært ren og flad overflade af Ag(111).
Væksten af grafen blev udført ved elektronisk strålefordampning af ren (99,997%) grafitstang med en diameter på 2.0 mm på en opvarmet Ag(111) substrat ved 750 °C med en filamentstrøm på ca. 1.6 A og en accelerator spænding på ca. 2 kV, hvilket giver en emissionsstrøm på ca. 70 mA og en kulstofstrøm på ca. 40 nA. Trykket i kammeret var 1 x 10-9 millibar.
Væksten af borofen blev udført ved elektronisk strålefordampning af ren (99,9999%) borstang på et opvarmet submonolag grafen på Ag(111) ved 400-500 °C. Filamentstrømmen var ca. 1.5 A, og accelerator spændingen var 1.75 kV, hvilket giver en emissionsstrøm på ca. 34 mA og en borstrøm på ca. 10 nA. Trykket i kammeret under væksten af borofen var omkring 2 x 10-10 millibar.
Resultaterne af undersøgelsen
Billede nr. 1
På billedet 1A blive vist STM* billede af den voksede grafen, hvor grafendomæner bedst visualiseres med kortet dI/dV (1V), hvor I og V — tunnelstrøm og prøveforskydning, og d — densitet.
STM* — scanning tunnelmikroskop.
dI/dV prøvekortene gjorde det muligt at se en højere lokal tilstands tæthed for grafen sammenlignet med underlaget Ag(111). I overensstemmelse med tidligere undersøgelser har overfladestatus for Ag(111) en trinvise karakteristika, der er forskudt mod positive energier på dI/dV grafens spektrum (1C), hvilket forklarer den højere lokale tilstands tæthed for grafen på 1V ved 0.3 eV.
På billedet 1D vi kan se strukturen af monolaget grafen, hvor det sekskantede gitter tydeligt er synligt og moiré superstruktur*.
Superstruktur* – en funktion af strukturen af det krystallinske forbindelsen, som gentages med et bestemt interval og dermed skaber en ny struktur med en anden periodicitet.
Moire* – overlejring af to periodiske netmønstre oven på hinanden.
Ved lavere temperaturer fører væksten til dannelse af dendritiske og defekte grafen-domæner. På grund af svage interaktioner mellem grafen og det underliggende substrat er den rotationsmæssige orientering af grafen i forhold til det underliggende Ag (111) ikke unik.
Efter aflejring af bor viste skannende tunneleringsmikroskopi (1E) tilstedeværelsen af en kombination af borofen- og grafen-domæner. Desuden ses der områder inden for grafen, der senere blev identificeret som interkaleret borofen-grafen (markeret på billedet Gr/B). I dette område er der også tydelige lineære elementer, der orienterer sig i tre retninger og er adskilt med en vinkel på 120 ° (gule pile).
Billede Nr. 2
Billedet af 2A, ligesom 1E, bekræfter forekomsten af lokaliserede mørke fordybninger (depressioner) i grafen efter aflejring af bor.
For bedre at undersøge disse formationer og afklare deres oprindelse blev der taget et yderligere billede af det samme område, men med anvendelse af kort |dlnI/dz| (2В), где I – tunnelstrøm, d – densitet, og z – afstand mellem sonden og prøven (afstanden mellem mikroskop nålen og prøven). Anvendelsen af denne metode muliggør opnåelse af billeder med højere rumlig opløsning. Derudover kan CO eller H2 anvendes på mikroskop nålen.
Billedet 2C er et billede taget ved hjælp af STM, hvor nålen var dækket med CO. Sammenligning af billederne A, I og Med viser, at alle atomare elementer identificeres som tre nærliggende lyse sekskanter, der er orienteret i to ikke-ækvivalente retninger (røde og gule trekanter på billederne).
Forstørrede billeder af dette område (2D) bekræfter, at disse elementer er i overensstemmelse med de legeringsforureninger af bor, der optager to undergitre af grafen, hvilket også indikeres af de overlejrede strukturer.
CO-belægningen på mikroskop nålen gjorde det muligt at afsløre den geometriske struktur af borofens arket (2E), hvilket ville være umuligt, hvis nålen var standard (metallisk) uden CO-belægning.
Billede nr. 3
Dannelse af laterale hetero-grænseflader mellem borofen og grafen (3A) skal finde sted, når borofen vokser i nærheden af grafen-domæner, hvor bor allerede er til stede.
Forskere minder om, at laterale hetero-grænseflader baseret på grafen-hBN (grafen + bor-nitrid) har gitterkoherens, mens hetero-overgange baseret på overgangsmetallernes dichalcogenider har symmetri-koherens. I tilfælde af grafen/borofen er situationen noget anderledes - de har minimal strukturel lighed med hensyn til gitterkonstanter eller krystallinsk symmetri. Men på trods af dette viser den laterale hetero-grænseflade grafen/borofen nærmest perfekt atomar koherens, idet bor-strenge (B-row) er justeret med zigzag (ZZ) retningerne i grafen (3A). På 3B vises et forstørret billede af ZZ-grænsefladeområdet (blå linjer markerer interfaciale elementer, der svarer til bor-kul kovalente bindinger).
Da væksten af borofen foregår ved lavere temperaturer sammenlignet med grafen, vil kanterne af grafen-domenet næppe have høj mobilitet ved dannelsen af hetero-grænsefladen med borofen. Derfor er en næsten atomart præcis hetero-grænseflade sandsynligvis resultatet af forskellige konfigurationer og egenskaber af multicentret borbindinger. Spektra fra scanning tunnel spektroskopi (3C) og differential tunnel ledningsevne (3D) viser, at den elektroniske overgang fra grafen til borofen sker over en afstand på ~ 5 Å uden synlige grænsetilstande.
På billedet 3E vises tre spektra fra scanning tunnel spektroskopi, der er taget langs de tre stiplede linjer på 3D, som bekræfter, at denne korte elektroniske overgang er ufølsom over for lokale interfaciale strukturer og er sammenlignelig med den ved grænserne mellem borofen og sølv.
Image No. 4
Grafen interkaldation* er tidligere også blevet bredt undersøgt, men omdannelsen af interkalater til rigtige 2D-lag er et relativt sjældent fænomen.
Interkaldation* er den reversibel inkorporering af en molekyle eller gruppe af molekyler mellem andre molekyler eller grupper af molekyler.
Den lille atomradius af bor og den svage interaktion mellem grafen og Ag (111) antyder en mulig interkalation af grafen med bor. På billedet 4A vises beviser for ikke kun interkalationen af bor, men også dannelsen af vertikale borofen-grafen heterostrukturer, især de trekantede domæner omgivet af grafen. Den cellulære gitterstruktur, der ses på dette trekantede domæne, bekræfter tilstedeværelsen af grafen. Dog viser denne grafen en lavere lokal tæthed af tilstande ved -50 meV sammenlignet med den omkringliggende grafen (4B). Sammenlignet med grafen direkte på Ag (111) er der ingen tegn på høj lokal tæthed af tilstande i spektret dI/dV (4C, den blå kurve), der svarer til den overfladiske tilstand af Ag (111), er det første bevis på interkalationen af bor.
Som forventet for delvis interkalation forbliver grafengitteret kontinuert over hele den laterale grænseflade mellem grafen og det trekantede område (4D — svarer til det rektangulære område på 4A, omkranset af den røde streg). Et billede taget ved hjælp af AFM med en spids har også bekræftet tilstedeværelsen af substituerende borforureninger (4E — svarer til det rektangulære område på 4A, omkranset af den gule streg).
Under analysen blev der også anvendt mikroskopnåle uden nogen belægning. I dette tilfælde blev der i de interkalede grafendomæner fundet tegn på en-dimensionelle lineære elementer med en periodicitetsafstand på 5 Å (4F og 4G). Disse en-dimensionale strukturer minder om rækker af bor i modellen for borofen. Desuden viser Fourier-transformationen af billedet på 4G et par ortogonale punkter, der svarer til det rektangulære gitter 3 Å x 5 Å (4N), hvilket stemmer glimrende overens med modellen for borofen. Derudover er den observerede tredobbelte orientering af gitteret af lineære elementer (1E) godt i overensstemmelse med den samme dominerende struktur, der observeres for lag af borofen.
Alle disse observationer vidner overbevisende om interkalationen af grafen med borofen i nærheden af kanterne af Ag, hvilket fører til dannelsen af vertikale borofen-grafen heterostrukturer, som primært kan realiseres ved at øge den oprindelige belægning af grafen.
4I er en skematisk fremstilling af den vertikale heterostruktur på 4H, hvor retningen af bor-rækken (den lyserøde pil) næsten er justeret med den zigzag-formede retning af grafen (den sorte pil), hvilket danner en rotationssymmetrisk vertikal heterostruktur.
For mere detaljeret information om nuancerne i undersøgelsen anbefaler jeg at kigge i og til det.
Epilog
Denne undersøgelse har vist, at borofen er i stand til at danne laterale og vertikale heterostrukturer med grafen. Sådanne systemer kan anvendes til udvikling af nye typer af to-dimensionale elementer, der anvendes i nanoteknologi, fleksibel og bærbar elektronik samt i nye typer af halvledere.
Forskerne tror selv, at deres udvikling kan blive et kraftigt skridt fremad for teknologier relateret til elektronik. Men det er svært at sige med sikkerhed, om deres ord vil være profetiske. Der er stadig meget, der skal udforskes, forstås og opfindes, før de videnskabs-fiktion-ideer, der fylder forskernes sind, bliver en fuldkommen realitet.
Tak for opmærksomheden, forbliv nysgerrige og hav en god arbejdsuge, alle sammen. 🙂
Tak fordi du bliver hos os. Kan du lide vores artikler? Ønsker du at se flere interessante materialer? Støt os ved at bestille eller anbefale os til dine bekendte, 30% rabat til brugere af Habr på en unik entry-level server, som vi har opfundet til dig: (tilgængelige muligheder med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd er 2 gange billigere? Kun hos os i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra 99 $! Læs om hvordan
Kilde: habr.com
