âMutation ist der SchlĂŒssel 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 Evolutionâ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Wenn man alle wissenschaftlich-fantastischen Elemente, die in Comics und Filmen vorkommen, beiseite lĂ€sst, sind die Worte von Professor X durchaus wahr. Die Entwicklung von allem verlĂ€uft den GroĂteil der Zeit relativ gleichmĂ€Ăig, aber manchmal gibt es SprĂŒnge, die einen enormen Einfluss auf den gesamten Prozess haben. Dies gilt nicht nur fĂŒr die Evolution der Arten, sondern auch fĂŒr 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 evolutionĂ€rer 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 gewĂ€hlt wurden und welche Eigenschaften ein solches System haben kann? DarĂŒber wird uns der Vortrag der Forschungsgruppe berichten. Los geht's.
Basis der Forschung
Der Begriff âGrafenâ ist uns bereits oft begegnet â es handelt sich um eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von 1 Atom besteht. âBorophenâ dagegen kommt Ă€uĂerst selten vor. Dieser Begriff bezeichnet einen zweidimensionalen Kristall, der ausschlieĂlich 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 fĂŒr Elemente mit Elektronendefizit, zu denen Bor gehört, sehr charakteristisch ist.
*Unter zwei- und vielenzentrierten Bindungen versteht man chemische Bindungen â Wechselwirkungen zwischen Atomen, die die StabilitĂ€t eines MolekĂŒls 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 ErgĂ€nzung fĂŒr Batterien darstellen könnten, da Borofen ĂŒber eine hohe spezifische KapazitĂ€t und einzigartige Eigenschaften der elektronischen LeitfĂ€higkeit und des Ionentransfers verfĂŒgt. 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 betrÀgt. Allotropie*
ist, wenn ein chemisches Element in Form von zwei oder mehr einfachen Stoffen vorkommen kann. Ein Beispiel ist Kohlenstoff â Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw. Polymorphismus*
ist die FĂ€higkeit 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 fĂŒr die Schaffung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein könnte, da verschiedene Bindungskonfigurationen von Bor die Anforderungen an die Gitteranpassung verringern sollten. Leider wurde diese Frage bisher ausschlieĂlich 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 prĂ€zise laterale Heterostrukturen bieten groĂes Potenzial zur Lösung von Problemen mit der Kontrolle der funktionalen Eigenschaften des HeteroĂŒbergangs, doch aufgrund der kovalenten Bindung fĂŒhrt eine unvollkommene Gitteranpassung in der Regel zu breiten und ungeordneten OberflĂ€chen. Folglich gibt es Potenzial, aber auch Probleme bei der Umsetzung.
FĂŒr 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 prĂ€zise laterale Heterostrukturen haben ein groĂes Potenzial zur Lösung von Problemen bei der Kontrolle der funktionalen Möglichkeiten des HeteroĂŒbergangs, jedoch fĂŒhrt 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 fĂŒhrt die sequenzielle Abscheidung von Kohlenstoff und Bor auf einem Substrat aus Ag(111) im Ultrahochvakuum (UHV) zu nahezu atomgenauen lateralen HeterogrenzflĂ€chen mit vorhergesagten Gitterausrichtungen sowie vertikalen HeterogrenzflĂ€chen.
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 AusglĂŒhen (550 °C, 45 Minuten) gereinigt, um eine atomrein und flache OberflĂ€che 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 durchgefĂŒhrt, 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, wÀhrend 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 wÀhrend 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-DomĂ€nen am besten mit Hilfe einer Karte visualisiert werden dI/dV (1B), wo I und V â der Tunnelstrom und die Probeverschiebung, und d â die Dichte.
STM* â Rastertunnelmikroskop.
dI/dV Musterkarten ermöglichten es, eine höhere lokale Dichte von ZustĂ€nden im Graphen im Vergleich zum Substrat Ag(111) zu sehen. Ăbereinstimmend mit frĂŒheren Untersuchungen weist der OberflĂ€chenzustand 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 ZustĂ€nden im Graphen bei 1B 0,3 eV erklĂ€rt.
In der Abbildung 1D Wir können die Struktur des monolayer Graphen sehen, wo das wabenartige Gitter deutlich sichtbar ist und Moire-Struktur*.
Ăberstruktur* â eine Besonderheit der Struktur des kristallinen Materials, die sich in bestimmten AbstĂ€nden wiederholt und so eine neue Struktur mit einem anderen Periodenwechsel bildet.
MoirĂ©* â Ăberlagerung von zwei periodischen Gittermustern ĂŒbereinander.
Bei niedrigeren Temperaturen fĂŒhrt das Wachstum zur Bildung dendritischer und defekter Graphen-DomĂ€nen. 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 (1Đ) das Vorhandensein von Borophen- und Graphen-DomĂ€nen. Auf dem Bild sind auch Bereiche innerhalb des Graphens sichtbar, die spĂ€ter 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 1Đ, bestĂ€tigt das Auftreten von lokalisierten dunklen Vertiefungen (Depressionen) im Graphen nach der Abscheidung von Bor.
Um diese Strukturen genauer zu betrachten und ihren Ursprung zu klĂ€ren, wurde ein weiteres Bild desselben Bereichs gemacht, jedoch unter Verwendung von Karten |dlnI/dz| (2Đ), гЎД I â Tunnelstrom, d â Dichte, und z â Abstand zwischen Sonde und Probe (Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Der Einsatz dieser Methode ermöglicht die Erstellung von Bildern mit sehr hoher rĂ€umlicher 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 Àquivalenten Richtungen ausgerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke auf den Bildern).
VergröĂerte Bilder dieses Bereichs (2D) bestĂ€tigen, dass diese Elemente mit den legierenden Borverunreinigungen ĂŒbereinstimmen, die zwei Sublattices des Graphens einnehmen, was auch durch die ĂŒberlagerten Strukturen angezeigt wird.
Die CO-Beschichtung der Mikroskopnadel ermöglichte es, die geometrische Struktur des Borophenblattes zu identifizieren (2E), was unmöglich gewesen wÀre, wenn die Nadel Standard (metallisch) und ohne CO-Beschichtung gewesen wÀre.
Bild Nr. 3
Die Bildung lateraler Heteroschnittstellen zwischen Borophen und Graphen (3A) soll geschehen, wenn Borofen neben Graphen-Domen wÀchst, in denen bereits Bor vorhanden ist.
Wissenschaftler erinnern daran, dass laterale Heterointerfaces auf Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bornitrid) eine RasterĂŒbereinstimmung aufweisen, wĂ€hrend die heteroĂŒbergĂ€nge auf Basis von Ăbergangsmetall-Dichalcogeniden eine SymmetrieĂŒbereinstimmung aufweisen. Bei Graphen/Borofen ist die Situation etwas anders â sie haben ein minimales strukturelles Ăhnlichkeit in Bezug auf die Gitterkonstanten oder kristalline Symmetrie. Dennoch zeigt das laterale Heterointerface zwischen Graphen und Borofen nahezu perfekte atomare Ăbereinstimmung, wobei die Borreihen (B-Reihen) mit den zickzackförmigen (ZZ) Richtungen von Graphen ĂŒbereinstimmen.3A). An 3B ist eine vergröĂerte 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 RĂ€nder des Graphen-Domains eine hohe MobilitĂ€t bei der Bildung des Heterointerfaces mit Borofen haben. Daher ist das nahezu atomar prĂ€zise Heterointerface wahrscheinlich das Ergebnis verschiedener Konfigurationen und Eigenschaften der multizentrischen Borbindungen. Die Spektren der Rastertunnelmikroskopie (3C) und der differenziellen TunnelleitfĂ€higkeit (3D) zeigen, dass der elektronische Ăbergang von Graphen zu Borofen ĂŒber eine Entfernung von ~ 5 Ă erfolgt, ohne sichtbare Interface-ZustĂ€nde.
In der Abbildung 3Đ zeigen drei Spektren der Rastertunnelmikroskopie, die entlang der drei gestrichelten Linien auf 3D gemacht wurden, die bestĂ€tigen, dass dieser kurze elektronische Ăbergang unempfindlich gegenĂŒber lokalen intermolekularen Strukturen ist und vergleichbar mit dem Ă€hnlichen 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-BlÀtter ein relativ seltenes PhÀnomen.
Interkalation* ist die umkehrbare EinfĂŒgung eines MolekĂŒls oder einer Gruppe von MolekĂŒlen zwischen anderen MolekĂŒlen oder Gruppen von MolekĂŒlen.
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 fĂŒr nicht nur die Interkalation von Bor, sondern auch fĂŒr die Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen, insbesondere dreieckigen DomĂ€nen, die von Graphen umgeben sind, prĂ€sentiert. Das auf dieser dreieckigen DomĂ€ne beobachtete Gitter bestĂ€tigt das Vorhandensein von Graphen. Allerdings zeigt dieses Graphen eine niedrigere lokale Dichte von ZustĂ€nden bei -50 meV im Vergleich zu dem umgebenden Graphen (4Đ). Im Vergleich zu Graphen direkt auf Ag (111) zeigt das Fehlen von Anzeichen einer hohen lokalen Dichte von ZustĂ€nden im Spektrum dI/dV (4C, die zur OberflĂ€chenzustand von Ag (111) passt, ist der erste Beweis fĂŒr die Interkalation von Bor.
Wie auch erwartet fĂŒr eine partielle Interkalation bleibt das Graphengitter ĂŒber die laterale Schnittstelle zwischen Graphen und dem dreieckigen Bereich kontinuierlich (4D â entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4A, umrandet von einer roten gepunkteten Linie). Ein Bild, das mit der AFM-Nadel aufgenommen wurde, bestĂ€tigte ebenfalls das Vorhandensein von substituierenden Borverunreinigungen (4E â entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4A, umrandet von einer gelben gepunkteten Linie).
WĂ€hrend der Analyse wurden auch Nadeln des Mikroskops ohne eine jegliche Beschichtung verwendet. In diesem Fall wurden in den interkalierten GraphendomĂ€nen Anzeichen von eindimensionalen linaren Elementen mit einer PeriodizitĂ€t von 5 Ă (4F und 4G). Diese eindimensionalen Strukturen erinnern an Borreihen im Borophen-Modell. ZusĂ€tzlich zum Satz von Punkten, die Graphen entsprechen, zeigt die Fourier-Transformation des Bildes auf 4G ein Paar orthogonaler Punkte, die dem rechteckigen Gitter 3 Ă x 5 Ă entsprechen (4Đ), was hervorragend mit dem Borophen-Modell ĂŒbereinstimmt. DarĂŒber hinaus stimmt die beobachtete dreifache Orientierung des Gitters der linearen Elemente (1Đ) gut mit der gleichen vorherrschenden Struktur ĂŒberein, die fĂŒr BlĂ€tter von Borophen beobachtet wird.
All diese Beobachtungen zeugen eindrucksvoll von der Interkalation von Graphen durch Borophen in der NĂ€he der RĂ€nder von Ag, was folglich zur Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen fĂŒhrt, die ĂŒberwiegend durch Erhöhung der ursprĂŒnglichen 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.
FĂŒr 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 fĂŒr 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 fĂŒllen, zur vollstĂ€ndigen RealitĂ€t werden.
Vielen Dank fĂŒr Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und eine schöne Arbeitswoche euch allen, Leute. đ
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Quelle: habr.com
