„Mutation ist der Schlüssel zur Lösung des Geheimnisses der Evolution. Der Entwicklungsweg vom einfachsten Organismus zur dominierenden biologischen Art dauert Jahrtausende. Aber alle paar Hunderttausend Jahre geschieht ein sprunghafter Fortschritt in der Evolution“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Wenn man alle wissenschaftlich-fantastischen Elemente, die in Comics und Filmen vorkommen, beiseite lässt, sind die Worte von Professor X durchaus wahr. Die Entwicklung von allem verläuft den Großteil der Zeit relativ gleichmäßig, aber manchmal gibt es Sprünge, die einen enormen Einfluss auf den gesamten Prozess haben. Dies gilt nicht nur für die Evolution der Arten, sondern auch für die Evolution der Technologien, deren Hauptmotor die Menschen, ihre Forschung und Erfindungen sind. Heute werden wir mit einer Studie vertraut gemacht, die von ihren Autoren als richtiger evolutionärer Sprung in der Nanotechnologie angesehen wird. Wie es den Wissenschaftlern der Northwestern University (USA) gelungen ist, eine neue zweidimensionale Heterostruktur zu schaffen, warum Grafen und Borophen als Basis gewählt wurden und welche Eigenschaften ein solches System haben kann? Darüber wird uns der Vortrag der Forschungsgruppe berichten. Los geht's.
Basis der Forschung
Der Begriff „Grafen“ ist uns bereits oft begegnet – es handelt sich um eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von 1 Atom besteht. „Borophen“ dagegen kommt äußerst selten vor. Dieser Begriff bezeichnet einen zweidimensionalen Kristall, der ausschließlich aus Boratomen (B) besteht. Die Möglichkeit der Existenz von Borophen wurde erstmals Mitte der 90er Jahre vorhergesagt, aber erst 2015 gelang es, diese Struktur praktisch zu erzeugen.
Die atomare Struktur von Borophen besteht aus dreieckigen und hexagonalen Elementen und ist das Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen zwei- und vielenzentrierten intraplanaren Bindungen, was für Elemente mit Elektronendefizit, zu denen Bor gehört, sehr charakteristisch ist.
*Unter zwei- und vielenzentrierten Bindungen versteht man chemische Bindungen – Wechselwirkungen zwischen Atomen, die die Stabilität eines Moleküls oder Kristalls als Einheit charakterisieren. Beispielsweise tritt eine zwei-zentrierte zwei-Elektronen-Bindung auf, wenn 2 Atome 2 Elektronen teilen, und eine zwei-zentrierte drei-Elektronen-Bindung, wenn 2 Atome und 3 Elektronen beteiligt sind, usw.
Aus physikalischer Sicht könnte Borofen im Vergleich zu Graphen robuster und flexibler sein. Es wird auch angenommen, dass Borofenstrukturen eine effektive Ergänzung für Batterien darstellen könnten, da Borofen über eine hohe spezifische Kapazität und einzigartige Eigenschaften der elektronischen Leitfähigkeit und des Ionentransfers verfügt. Bislang bleibt dies jedoch nur eine Theorie.
Als dreiwertiges Element*, hat Bor mindestens 10 Allotropen*. In der zweidimensionalen Form zeigt sich auch ein solcher Polymorphismus* . Das dreiwertige Element*
kann drei kovalente Bindungen eingehen, deren Valenz drei beträgt. Allotropie*
ist, wenn ein chemisches Element in Form von zwei oder mehr einfachen Stoffen vorkommen kann. Ein Beispiel ist Kohlenstoff — Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw. Polymorphismus*
ist die Fähigkeit eines Stoffes, in verschiedenen kristallinen Strukturen (polymorphen Modifikationen) zu existieren. Bei einfachen Stoffen ist dieser Begriff synonym mit Allotropie. Angesichts dieses breiten Polymorphismus entsteht die Vermutung, dass Borofen ein hervorragender Kandidat für die Schaffung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein könnte, da verschiedene Bindungskonfigurationen von Bor die Anforderungen an die Gitteranpassung verringern sollten. Leider wurde diese Frage bisher ausschließlich auf theoretischer Ebene aufgrund der Schwierigkeiten bei der Synthese untersucht.
Bei herkömmlichen 2D-Materialien, die aus voluminösen Schichtkristallen gewonnen werden, können vertikale Heterostrukturen durch mechanische Stapelung realisiert werden. Auf der anderen Seite basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf aufsteigender Synthese. Atomar präzise laterale Heterostrukturen bieten großes Potenzial zur Lösung von Problemen mit der Kontrolle der funktionalen Eigenschaften des Heteroübergangs, doch aufgrund der kovalenten Bindung führt eine unvollkommene Gitteranpassung in der Regel zu breiten und ungeordneten Oberflächen. Folglich gibt es Potenzial, aber auch Probleme bei der Umsetzung.
Für gewöhnliche 2D-Materialien, die aus voluminösen, schichtartigen Kristallen gewonnen werden, können vertikale Heterostrukturen durch mechanische Stapelung realisiert werden. Andererseits basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf aufsteigender Synthese. Atomar präzise laterale Heterostrukturen haben ein großes Potenzial zur Lösung von Problemen bei der Kontrolle der funktionalen Möglichkeiten des Heteroübergangs, jedoch führt aufgrund der kovalenten Bindung eine unvollkommene Gitteranpassung in der Regel zu breiten und ungeordneten Schnittstellen. Folglich gibt es Potenzial, aber auch Probleme bei der Umsetzung.
In dieser Arbeit gelang es den Forschern, Borophen und Graphen in einer zweidimensionalen Heterostruktur zu integrieren. Trotz der Diskrepanz zwischen den kristallographischen Gittern und der Symmetrie von Borophen und Graphen führt die sequenzielle Abscheidung von Kohlenstoff und Bor auf einem Substrat aus Ag(111) im Ultrahochvakuum (UHV) zu nahezu atomgenauen lateralen Heterogrenzflächen mit vorhergesagten Gitterausrichtungen sowie vertikalen Heterogrenzflächen.
Vorbereitung zur Untersuchung
Vor der Untersuchung der Heterostruktur musste sie hergestellt werden. Das Wachstum von Graphen und Borophen erfolgte in einer Ultrahochvakuumkammer mit einem Druck von 1x10-10 Millibar.
Das monokristalline Substrat Ag(111) wurde durch wiederholte Zyklen der Ar+-Sputterung (1 x 10-5 Millibar, Energie 800 eV, 30 Minuten) und thermischem Ausglühen (550 °C, 45 Minuten) gereinigt, um eine atomrein und flache Oberfläche von Ag(111) zu erhalten.
Das Wachstum von Graphen wurde durch die Elektronenstrahlverdampfung eines reinen (99,997%) Graphitstabs mit einem Durchmesser von 2,0 mm auf ein auf 750 °C erhitztes Substrat aus Ag(111) bei einem Heizstrom von ca. 1,6 A und einer Beschleunigungsspannung von ca. 2 kV durchgeführt, was einen Emissionsstrom von ca. 70 mA und einen Kohlenstofffluss von ca. 40 nA ergibt. Der Druck in der Kammer betrug 1 x 10-9 Millibar.
Das Wachstum von Borophen erfolgte durch die Elektronenstrahlverdampfung eines reinen (99,9999%) Borstabs auf einen auf 400-500 °C erhitzten Submonolayer von Graphen auf Ag(111). Der Heizstrom betrug ca. 1,5 A, während die Beschleunigungsspannung 1,75 kV betrug, was einen Emissionsstrom von ca. 34 mA und einen Borfluss von ca. 10 nA ergibt. Der Druck in der Kammer während des Wachstums von Borophen lag bei etwa 2 x 10-10 Millibar.
Ergebnisse der Studie
Bild Nr. 1
In der Abbildung 1A ein STM* Aufnahme des gewachsenen Graphens, bei dem Graphen-Domänen am besten mit Hilfe einer Karte visualisiert werden dI/dV (1B), wo I und V — der Tunnelstrom und die Probeverschiebung, und d — die Dichte.
STM* — Rastertunnelmikroskop.
dI/dV Musterkarten ermöglichten es, eine höhere lokale Dichte von Zuständen im Graphen im Vergleich zum Substrat Ag(111) zu sehen. Übereinstimmend mit früheren Untersuchungen weist der Oberflächenzustand von Ag(111) eine gestufte Eigenschaft auf, die in Richtung positiver Energien auf verschoben ist dI/dV im Spektrum des Graphen (1C), was die höhere lokale Dichte an Zuständen im Graphen bei 1B 0,3 eV erklärt.
In der Abbildung 1D Wir können die Struktur des monolayer Graphen sehen, wo das wabenartige Gitter deutlich sichtbar ist und Moire-Struktur*.
Überstruktur* — eine Besonderheit der Struktur des kristallinen Materials, die sich in bestimmten Abständen wiederholt und so eine neue Struktur mit einem anderen Periodenwechsel bildet.
Moiré* — Überlagerung von zwei periodischen Gittermustern übereinander.
Bei niedrigeren Temperaturen führt das Wachstum zur Bildung dendritischer und defekter Graphen-Domänen. Aufgrund der schwachen Wechselwirkungen zwischen Graphen und dem darunter liegenden Substrat ist die rotatorische Ausrichtung des Graphens relativ zu dem darunter liegenden Ag (111) nicht einzigartig.
Nach der Abscheidung von Bor zeigte die Rastertunnelmikroskopie (1Е) das Vorhandensein von Borophen- und Graphen-Domänen. Auf dem Bild sind auch Bereiche innerhalb des Graphens sichtbar, die später als interkalierter Graphen mit Borophen identifiziert wurden (bezeichnet auf dem Bild Gr/B). In diesem Bereich sind auch lineare Elemente gut sichtbar, die in drei Richtungen ausgerichtet und durch einen Winkel von 120 ° getrennt sind (gelbe Pfeile).
Abbildung Nr. 2
Das Bild auf 2A, ebenso wie 1Е, bestätigt das Auftreten von lokalisierten dunklen Vertiefungen (Depressionen) im Graphen nach der Abscheidung von Bor.
Um diese Strukturen genauer zu betrachten und ihren Ursprung zu klären, wurde ein weiteres Bild desselben Bereichs gemacht, jedoch unter Verwendung von Karten |dlnI/dz| (2В), где I — Tunnelstrom, d — Dichte, und z — Abstand zwischen Sonde und Probe (Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Der Einsatz dieser Methode ermöglicht die Erstellung von Bildern mit sehr hoher räumlicher Auflösung. Auch CO oder H2 können an der Mikroskopnadel verwendet werden.
Das Bild 2C ist ein mit STM aufgenommenes Bild, dessen Nadel mit CO beschichtet war. Der Vergleich der Bilder A, Im und C zeigt, dass alle atomaren Elemente als drei benachbarte helle Sechsecke identifiziert werden, die in zwei nicht äquivalenten Richtungen ausgerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke auf den Bildern).
Vergrößerte Bilder dieses Bereichs (2D) bestätigen, dass diese Elemente mit den legierenden Borverunreinigungen übereinstimmen, die zwei Sublattices des Graphens einnehmen, was auch durch die überlagerten Strukturen angezeigt wird.
Die CO-Beschichtung der Mikroskopnadel ermöglichte es, die geometrische Struktur des Borophenblattes zu identifizieren (2E), was unmöglich gewesen wäre, wenn die Nadel Standard (metallisch) und ohne CO-Beschichtung gewesen wäre.
Bild Nr. 3
Die Bildung lateraler Heteroschnittstellen zwischen Borophen und Graphen (3A) soll geschehen, wenn Borofen neben Graphen-Domen wächst, in denen bereits Bor vorhanden ist.
Wissenschaftler erinnern daran, dass laterale Heterointerfaces auf Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bornitrid) eine Rasterübereinstimmung aufweisen, während die heteroübergänge auf Basis von Übergangsmetall-Dichalcogeniden eine Symmetrieübereinstimmung aufweisen. Bei Graphen/Borofen ist die Situation etwas anders – sie haben ein minimales strukturelles Ähnlichkeit in Bezug auf die Gitterkonstanten oder kristalline Symmetrie. Dennoch zeigt das laterale Heterointerface zwischen Graphen und Borofen nahezu perfekte atomare Übereinstimmung, wobei die Borreihen (B-Reihen) mit den zickzackförmigen (ZZ) Richtungen von Graphen übereinstimmen.3A). An 3B ist eine vergrößerte Ansicht des ZZ-Bereichs des Heterointerfaces dargestellt (mit blauen Linien, die die Interphaselemente kennzeichnen, die den Bor-Kohlenstoff-Kovalenzbindungen entsprechen).
Da das Wachstum von Borofen bei einer niedrigeren Temperatur als bei Graphen erfolgt, ist es unwahrscheinlich, dass die Ränder des Graphen-Domains eine hohe Mobilität bei der Bildung des Heterointerfaces mit Borofen haben. Daher ist das nahezu atomar präzise Heterointerface wahrscheinlich das Ergebnis verschiedener Konfigurationen und Eigenschaften der multizentrischen Borbindungen. Die Spektren der Rastertunnelmikroskopie (3C) und der differenziellen Tunnelleitfähigkeit (3D) zeigen, dass der elektronische Übergang von Graphen zu Borofen über eine Entfernung von ~ 5 Å erfolgt, ohne sichtbare Interface-Zustände.
In der Abbildung 3Е zeigen drei Spektren der Rastertunnelmikroskopie, die entlang der drei gestrichelten Linien auf 3D gemacht wurden, die bestätigen, dass dieser kurze elektronische Übergang unempfindlich gegenüber lokalen intermolekularen Strukturen ist und vergleichbar mit dem ähnlichen an den Grenzen von Borofen-Silber ist.
Abbildung Nr. 4
Graphen Interkalation* wurde ebenfalls zuvor umfangreich untersucht, jedoch ist die Umwandlung von Interkalanten in echte 2D-Blätter ein relativ seltenes Phänomen.
Interkalation* ist die umkehrbare Einfügung eines Moleküls oder einer Gruppe von Molekülen zwischen anderen Molekülen oder Gruppen von Molekülen.
Der kleine atomare Radius von Bor und die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Ag (111) legen nahe, dass eine mögliche Interkalation von Graphen mit Bor denkbar ist. In der Abbildung 4A Es wurden Beweise für nicht nur die Interkalation von Bor, sondern auch für die Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen, insbesondere dreieckigen Domänen, die von Graphen umgeben sind, präsentiert. Das auf dieser dreieckigen Domäne beobachtete Gitter bestätigt das Vorhandensein von Graphen. Allerdings zeigt dieses Graphen eine niedrigere lokale Dichte von Zuständen bei -50 meV im Vergleich zu dem umgebenden Graphen (4В). Im Vergleich zu Graphen direkt auf Ag (111) zeigt das Fehlen von Anzeichen einer hohen lokalen Dichte von Zuständen im Spektrum dI/dV (4C, die zur Oberflächenzustand von Ag (111) passt, ist der erste Beweis für die Interkalation von Bor.
Wie auch erwartet für eine partielle Interkalation bleibt das Graphengitter über die laterale Schnittstelle zwischen Graphen und dem dreieckigen Bereich kontinuierlich (4D — entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4A, umrandet von einer roten gepunkteten Linie). Ein Bild, das mit der AFM-Nadel aufgenommen wurde, bestätigte ebenfalls das Vorhandensein von substituierenden Borverunreinigungen (4E — entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4A, umrandet von einer gelben gepunkteten Linie).
Während der Analyse wurden auch Nadeln des Mikroskops ohne eine jegliche Beschichtung verwendet. In diesem Fall wurden in den interkalierten Graphendomänen Anzeichen von eindimensionalen linaren Elementen mit einer Periodizität von 5 Å (4F und 4G). Diese eindimensionalen Strukturen erinnern an Borreihen im Borophen-Modell. Zusätzlich zum Satz von Punkten, die Graphen entsprechen, zeigt die Fourier-Transformation des Bildes auf 4G ein Paar orthogonaler Punkte, die dem rechteckigen Gitter 3 Å x 5 Å entsprechen (4Н), was hervorragend mit dem Borophen-Modell übereinstimmt. Darüber hinaus stimmt die beobachtete dreifache Orientierung des Gitters der linearen Elemente (1Е) gut mit der gleichen vorherrschenden Struktur überein, die für Blätter von Borophen beobachtet wird.
All diese Beobachtungen zeugen eindrucksvoll von der Interkalation von Graphen durch Borophen in der Nähe der Ränder von Ag, was folglich zur Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen führt, die überwiegend durch Erhöhung der ursprünglichen Graphenabdeckung realisiert werden können.
4I ist eine schematische Darstellung der vertikalen Heterostruktur auf 4H, wo die Ausrichtung der Borreihe (rosa Pfeil) nahe an der zickzackförmigen Ausrichtung von Graphen (schwarzer Pfeil) ausgerichtet ist und somit eine rotationssymmetrische vertikale Heterostruktur bildet.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick in den und dazu.
Epilog
Diese Studie hat gezeigt, dass Borophen durchaus in der Lage ist, laterale und vertikale Heterostrukturen mit Graphen zu bilden. Solche Systeme könnten bei der Entwicklung neuer Typen von zweidimensionalen Elementen, die in Nanotechnologien, flexibler und tragbarer Elektronik sowie in neuen Arten von Halbleitern verwendet werden, von Nutzen sein.
Die Forscher selbst glauben, dass ihre Entwicklung einen starken Impuls für Technologien im Bereich der Elektronik darstellen könnte. Doch es ist derzeit schwer zu sagen, ob ihre Worte prophetisch sein werden. Es gibt noch viel zu erforschen, zu verstehen und zu erfinden, damit die wissenschaftlich-fantastischen Ideen, die die Köpfe der Wissenschaftler füllen, zur vollständigen Realität werden.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und eine schöne Arbeitswoche euch allen, Leute. 🙂
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Quelle: habr.com
