"Mutation er nøglen til at opklare evolutionens mysterium. Udviklingsvejen fra den enkleste organisme til den dominerende biologiske art varer tusinder af år. Men hvert hundrede tusinde år er der et skarpt spring fremad i evolutionen" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Hvis vi kasserer alle de science-fiction-elementer, der findes i tegneserier og film, så er professor X's ord ganske sande. Udviklingen af noget forløber jævnt det meste af tiden, men nogle gange er der hop, som har en enorm indflydelse på hele processen. Dette gælder ikke kun for udviklingen af arter, men også for udviklingen af teknologi, hvis hoveddrivkraft er mennesker, deres forskning og opfindelser. I dag vil vi stifte bekendtskab med en undersøgelse, der ifølge forfatterne er et reelt evolutionært spring inden for nanoteknologi. Hvordan lykkedes det for forskere fra Northwestern University (USA) at skabe en ny todimensionel heterostruktur, hvorfor blev grafen og borophen valgt som grundlag, og hvilke egenskaber kan et sådant system have? Forskergruppens rapport vil fortælle os om dette. Gå.
Forskningsgrundlag
Vi har hørt udtrykket "grafen" mange gange; det er en todimensionel modifikation af kulstof, der består af et lag af kulstofatomer 1 atom tykt. Men "borofen" er ekstremt sjælden. Dette udtryk refererer til en todimensionel krystal, der udelukkende består af bor (B) atomer. Muligheden for eksistensen af borophen blev først forudsagt tilbage i midten af 90'erne, men i praksis blev denne struktur først opnået i 2015.
Den atomare struktur af borophen består af trekantede og sekskantede elementer og er en konsekvens af samspillet mellem to-center og multi-center in-plane bindinger, hvilket er meget typisk for elektron-mangelfulde grundstoffer, som omfatter bor.
*Med to-center- og multicenterbindinger mener vi kemiske bindinger - interaktioner af atomer, der karakteriserer stabiliteten af et molekyle eller en krystal som en enkelt struktur. For eksempel opstår en to-center to-elektronbinding, når 2 atomer deler 2 elektroner, og en to-center tre-elektronbinding opstår, når 2 atomer og 3 elektroner osv.
Fra et fysisk synspunkt kan borophen være stærkere og mere fleksibelt end grafen. Det menes også, at borophenstrukturer kan være et effektivt supplement til batterier, fordi borophen har høj specifik kapacitet og unikke elektronisk ledningsevne og iontransportegenskaber. Men i øjeblikket er dette kun en teori.
At være trivalent element*, bor har mindst 10 allotroper*. I todimensionel form, lignende polymorfi* er også observeret.
Trivalent element* i stand til at danne tre kovalente bindinger, hvis valens er tre.
Allotropi* - når et kemisk grundstof kan præsenteres i form af to eller flere simple stoffer. Som et eksempel, kulstof - diamant, grafen, grafit, kulstof nanorør osv.
Polymorfi* - et stofs evne til at eksistere i forskellige krystalstrukturer (polymorfe modifikationer). I tilfælde af simple stoffer er dette udtryk synonymt med allotropi.
I betragtning af denne brede polymorfi foreslås det, at borophen kan være en fremragende kandidat til at skabe nye todimensionelle heterostrukturer, da forskellige borbindingskonfigurationer bør lempe kravene til gittertilpasning. Desværre blev dette spørgsmål tidligere udelukkende undersøgt på det teoretiske niveau på grund af vanskeligheder med syntese.
For konventionelle 2D-materialer opnået fra bulklagdelte krystaller kan vertikale heterostrukturer realiseres ved hjælp af mekanisk stabling. På den anden side er todimensionelle laterale heterostrukturer baseret på bottom-up syntese. Atomisk præcise laterale heterostrukturer har et stort potentiale til at løse heterojunction funktionelle kontrolproblemer, men på grund af kovalent binding resulterer ufuldkommen gittertilpasning typisk i 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 borophen og grafen i en todimensionel heterostruktur. På trods af den krystallografiske gittermismatch og symmetri mellem borophen og grafen, resulterer sekventiel aflejring af kulstof og bor på et Ag(111)-substrat under ultrahøjt vakuum (UHV) i næsten atomisk præcise laterale heterogrænseflader med forudsagte gitterjusteringer såvel som vertikale heterogrænseflader. .
Forberedelse til studiet
Før man studerede heterostrukturen, skulle den fremstilles. Væksten af grafen og borophen blev udført i et ultrahøjt vakuumkammer med et tryk på 1x10-10 millibar.
Enkeltkrystal Ag(111)-substratet blev renset ved gentagne cyklusser af Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minutter) og termisk udglødning (550 °C, 45 minutter) for at opnå en atomisk ren og flad Ag( 111) overflade. .
Grafen blev dyrket ved elektronstrålefordampning af en ren (99,997 %) grafitstav med en diameter på 2.0 mm på et Ag (750) substrat opvarmet til 111 °C ved en varmestrøm på ~ 1.6 A og en accelerationsspænding på ~ 2 kV , hvilket giver en emissionsstrøm på ~70 mA og kulstofflux ~40 nA. Trykket i kammeret var 1 x 10-9 millibar.
Borophen blev dyrket gennem elektronstrålefordampning af en ren (99,9999%) borstang på submonolagsgrafen på Ag (400) opvarmet til 500-111 °C. Filamentstrømmen var ~1.5 A og accelerationsspændingen var 1.75 kV, hvilket giver en emissionsstrøm på ~34 mA og en borflux på ~10 nA. Trykket i kammeret under væksten af borophen var ca. 2 x 10-10 millibar.
Forskningsresultater
Billede #1
På billedet 1А vist STM* et øjebliksbillede af dyrket grafen, hvor grafendomænerne bedst visualiseres ved hjælp af et kort dI/dV (1V), hvor I и V er tunnelstrøm og prøveforskydning, og d - massefylde.
STM* — scanning tunneling mikroskop.
dI/dV kort over prøven gjorde det muligt for os at se en højere lokal tæthed af tilstande af grafen sammenlignet med Ag(111)-substratet. I overensstemmelse med tidligere undersøgelser har overfladetilstanden af Ag (111) en trinkarakteristik, der er forskudt mod positive energier vha. dI/dV spektrum af grafen (1С), hvilket forklarer den højere lokale tæthed af tilstande af grafen på 1V ved 0.3 eV.
På billedet 1D kan vi se strukturen af enkeltlagsgrafen, hvor bikagegitteret og moiré overbygning*.
Overbygning* - et træk ved strukturen af en krystallinsk forbindelse, der gentages med et bestemt interval og dermed skaber en ny struktur med en anden vekselperiode.
Moire* - overlejring af to periodiske maskemønstre oven på hinanden.
Ved lavere temperaturer fører vækst til dannelsen af dendritiske og defekte grafendomæner. På grund af svage interaktioner mellem grafen og det underliggende substrat er rotationsjusteringen af grafen i forhold til den underliggende Ag(111) ikke unik.
Efter boraflejring, scanning tunneling mikroskopi (1E) viste tilstedeværelsen af en kombination af borophen- og grafendomæner. Også synlige på billedet er områder inde i grafenet, som senere blev identificeret som grafen interkaleret med borophen (angivet på billedet Gr/B). Lineære elementer orienteret i tre retninger og adskilt af en vinkel på 120° er også tydeligt synlige i dette område (gule pile).
Billede #2
Foto på 2АSom 1E, bekræfter forekomsten af lokale mørke fordybninger i grafen efter boraflejring.
For bedre at kunne undersøge disse formationer og finde ud af deres oprindelse blev der taget endnu et fotografi af det samme område, men ved hjælp af kort |dlnI/dz| (2B), hvor I - tunnelstrøm, d er tætheden, og z — probe-prøve-adskillelse (mellemrummet mellem mikroskopnålen og prøven). Brugen af denne teknik gør det muligt at opnå billeder med høj rumlig opløsning. Du kan også bruge CO eller H2 på mikroskopnålen til dette.
Изображение 2С er et billede opnået ved hjælp af en STM, hvis spids var belagt med CO. Sammenligning af billeder А, В и С viser, at alle atomare elementer er defineret som tre tilstødende lyse sekskanter rettet i to ikke-ækvivalente retninger (røde og gule trekanter på fotografierne).
Forstørrede billeder af dette område (2D) bekræfter, at disse elementer er i overensstemmelse med bordoteringsurenheder, der optager to grafen-undergittere, som angivet af de overlejrede strukturer.
CO-belægning af mikroskopnålen gjorde det muligt at afsløre den geometriske struktur af borophenpladen (2E), hvilket ville være umuligt, hvis nålen var standard (metal) uden CO-belægning.
Billede #3
Dannelse af laterale heterogrænseflader mellem borophen og grafen (3А) bør forekomme, når borophen vokser ved siden af grafendomæner, der allerede indeholder bor.
Forskere minder om, at laterale heterogrænseflader baseret på grafen-hBN (grafen + bornitrid) har gitterkonsistens, og heterojunctions baseret på overgangsmetal-dichalcogenider har symmetrikonsistens. I tilfældet med grafen/borofen er situationen lidt anderledes - de har minimal strukturel lighed med hensyn til gitterkonstanter eller krystalsymmetri. På trods af dette demonstrerer den laterale grafen/borophen-heterogrænseflade næsten perfekt atomkonsistens, hvor borrækkens (B-række) retningerne er justeret med zigzag (ZZ) retningerne af grafen (3А). På 3V et forstørret billede af ZZ-regionen af heterogrænsefladen er vist (blå linjer angiver grænsefladeelementer svarende til bor-carbon-kovalente bindinger).
Da borophen vokser ved en lavere temperatur sammenlignet med grafen, er det usandsynligt, at kanterne af grafendomænet har høj mobilitet, når de danner en heterogrænseflade med borophen. Derfor er den næsten atomisk præcise heterogrænseflade sandsynligvis et resultat af forskellige konfigurationer og karakteristika af multisite-borbindinger. Scanning tunneling spektroskopi spektre (3С) og differentiel tunnelledningsevne (3D) viser, at den elektroniske overgang fra grafen til borophen sker over en afstand på ~5 Å uden synlige grænsefladetilstande.
På billedet 3E Der er vist tre scanning tunneling spektroskopi spektre taget langs de tre stiplede linjer i 3D, som bekræfter, at denne korte elektroniske overgang er ufølsom over for lokale grænsefladestrukturer og er sammenlignelig med den ved borophen-sølv grænseflader.
Billede #4
Grafen interkalation* har også tidligere været meget undersøgt, men konverteringen af intercalanter til ægte 2D-ark er relativt sjælden.
Interkalation* - reversibel inklusion af et molekyle eller en gruppe af molekyler mellem andre molekyler eller grupper af molekyler.
Borens lille atomradius og den svage interaktion mellem grafen og Ag(111) antyder mulig interkalation af grafen med bor. På billedet 4А beviser præsenteres ikke kun for borinterkalation, men også for dannelsen af vertikale borophen-grafen-heterostrukturer, især trekantede domæner omgivet af grafen. Honeycomb gitteret observeret på dette trekantede domæne bekræfter tilstedeværelsen af grafen. Imidlertid udviser denne grafen en lavere lokal densitet af tilstande ved -50 meV sammenlignet med omgivende grafen (4V). Sammenlignet med grafen direkte på Ag(111) er der ingen tegn på en høj lokal tæthed af tilstande i spektret dI/dV (4C, blå kurve), svarende til Ag(111) overfladetilstanden, er det første bevis på borinterkalation.
Som forventet for delvis indskydning forbliver grafengitteret også kontinuerligt gennem hele den laterale grænseflade mellem grafenen og det trekantede område (4D - svarer til et rektangulært område på 4А, cirklet med rød stiplet linje). Et billede med CO på en mikroskopnål bekræftede også tilstedeværelsen af borsubstitutionsurenheder (4E - svarer til et rektangulært område på 4А, cirklet med gul stiplet linje).
Mikroskopnåle uden belægning blev også brugt under analysen. I dette tilfælde blev tegn på endimensionelle lineære elementer med en periodicitet på 5 Å afsløret i de interkalerede grafendomæner (4F и 4G). Disse endimensionelle strukturer ligner borrækkerne i borophenmodellen. Ud over det sæt af punkter, der svarer til grafen, transformerer Fourier-billedet til 4G viser et par ortogonale punkter svarende til et 3 Å x 5 Å rektangulært gitter (4H), hvilket er i glimrende overensstemmelse med borophenmodellen. Derudover er den observerede tredobbelte orientering af rækken af lineære elementer (1E) stemmer godt overens med den samme overvejende struktur observeret for borophenplader.
Alle disse observationer tyder stærkt på interkalationen af grafen med borophen nær kanterne af Ag, hvilket følgelig fører til dannelsen af vertikale borophen-grafen-heterostrukturer, som med fordel kan realiseres ved at øge den indledende dækning af grafen.
4I er en skematisk fremstilling af en vertikal heterostruktur på 4H, hvor retningen af borrækken (pink pil) er tæt på linje med zigzag-retningen af grafen (sort pil), og dermed danner en rotations-proportional vertikal heterostruktur.
For et mere detaljeret bekendtskab med nuancerne i undersøgelsen, anbefaler jeg at se på и til ham.
Epilog
Denne undersøgelse viste, at borophen er ganske i stand til at danne laterale og vertikale heterostrukturer med grafen. Sådanne systemer kan bruges i udviklingen af nye typer af todimensionelle elementer, der anvendes i nanoteknologi, fleksibel og bærbar elektronik samt nye typer af halvledere.
Forskerne mener selv, at deres udvikling kan være et stærkt skub fremad for elektronikrelaterede teknologier. Det er dog stadig svært at sige med sikkerhed, at deres ord bliver profetiske. I øjeblikket er der stadig meget, der skal undersøges, forstås og opfindes, så de science fiction-ideer, der fylder videnskabsmænds sind, bliver en fuldgyldig realitet.
Tak fordi du læste med, bliv nysgerrig og hav en god uge gutter. 🙂
Tak fordi du blev hos os. Kan du lide vores artikler? Vil du se mere interessant indhold? Støt os ved at afgive en ordre eller anbefale til venner, 30% rabat til Habr-brugere på en unik analog af entry-level servere, som er opfundet af os til dig: (tilgængelig med RAID1 og RAID10, op til 24 kerner og op til 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gange billigere? Kun her i Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Læse om
Kilde: www.habr.com