„Mutation ist der Schlüssel zur Lösung des Geheimnisses der Evolution. Der Entwicklungsweg vom einfachsten Organismus zur dominierenden biologischen Art dauert Jahrtausende. Aber alle hunderttausend Jahre gibt es einen steilen Evolutionssprung nach vorne“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Wenn wir alle Science-Fiction-Elemente in Comics und Filmen außer Acht lassen, dann sind die Worte von Professor X durchaus wahr. Meistens verläuft die Entwicklung einer Sache gleichmäßig, doch manchmal gibt es Sprünge, die große Auswirkungen auf den gesamten Prozess haben. Dies gilt nicht nur für die Evolution der Arten, sondern auch für die Evolution der Technologie, deren Hauptantrieb der Mensch, seine Forschung und Erfindungen sind. Heute lernen wir eine Studie kennen, die laut ihren Autoren einen echten Evolutionssprung in der Nanotechnologie darstellt. Wie ist es Wissenschaftlern der Northwestern University (USA) gelungen, eine neue zweidimensionale Heterostruktur zu schaffen, warum wurden Graphen und Borophen als Basis gewählt und welche Eigenschaften könnte ein solches System haben? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns darüber informieren. Gehen.
Forschungsgrundlage
Den Begriff „Graphen“ haben wir schon oft gehört; es handelt sich um eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer ein Atom dicken Schicht aus Kohlenstoffatomen besteht. Aber „Borofen“ ist äußerst selten. Dieser Begriff bezieht sich auf einen zweidimensionalen Kristall, der ausschließlich aus Boratomen (B) besteht. Die Möglichkeit der Existenz von Borophen wurde erstmals Mitte der 1er Jahre vorhergesagt, in der Praxis konnte diese Struktur jedoch erst 90 erhalten werden.
Die atomare Struktur von Borophen besteht aus dreieckigen und sechseckigen Elementen und ist eine Folge der Wechselwirkung zwischen Zweizentren- und Mehrzentrenbindungen in der Ebene, die sehr typisch für elektronenarme Elemente, zu denen auch Bor gehört, ist.
*Unter Zweizentren- und Mehrzentrenbindungen verstehen wir chemische Bindungen – Wechselwirkungen von Atomen, die die Stabilität eines Moleküls oder Kristalls als einzelne Struktur charakterisieren. Beispielsweise entsteht eine Zwei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung, wenn zwei Atome zwei Elektronen teilen, und eine Zwei-Zentren-Drei-Elektronen-Bindung entsteht, wenn zwei Atome und drei Elektronen usw.
Aus physikalischer Sicht ist Borophen möglicherweise stärker und flexibler als Graphen. Es wird auch angenommen, dass Borophenstrukturen eine wirksame Ergänzung für Batterien sein könnten, da Borophen eine hohe spezifische Kapazität sowie einzigartige elektronische Leitfähigkeits- und Ionentransporteigenschaften aufweist. Im Moment ist dies jedoch nur eine Theorie.
Wesen dreiwertiges Element*, Bor hat mindestens 10 Allotrope*. In zweidimensionaler Form ähnlich Polymorphismus* wird auch beobachtet.
Dreiwertiges Element* ist in der Lage, drei kovalente Bindungen zu bilden, deren Wertigkeit drei beträgt.
Allotropie* - wenn ein chemisches Element in Form von zwei oder mehr einfachen Substanzen vorliegen kann. Beispielsweise Kohlenstoff – Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw.
Polymorphismus* — die Fähigkeit einer Substanz, in verschiedenen Kristallstrukturen zu existieren (polymorphe Modifikationen). Bei einfachen Stoffen ist dieser Begriff gleichbedeutend mit Allotropie.
Angesichts dieses breiten Polymorphismus wird vermutet, dass Borophen ein hervorragender Kandidat für die Schaffung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein könnte, da unterschiedliche Borbindungskonfigurationen die Anforderungen an die Gitteranpassung lockern dürften. Leider wurde dieses Thema bisher aufgrund von Schwierigkeiten bei der Synthese ausschließlich auf theoretischer Ebene untersucht.
Für herkömmliche 2D-Materialien, die aus massiven Schichtkristallen gewonnen werden, können vertikale Heterostrukturen durch mechanische Stapelung realisiert werden. Andererseits basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf einer Bottom-up-Synthese. Atomar präzise laterale Heterostrukturen haben ein großes Potenzial zur Lösung von Funktionskontrollproblemen bei Heteroübergängen. Aufgrund der kovalenten Bindung führt eine unvollständige Gitteranpassung jedoch typischerweise zu breiten und ungeordneten Grenzflächen. Daher gibt es Potenzial, aber es gibt auch Probleme bei der Umsetzung.
In dieser Arbeit gelang es den Forschern, Borophen und Graphen in eine zweidimensionale Heterostruktur zu integrieren. Trotz der kristallographischen Gitterfehlanpassung und Symmetrie zwischen Borophen und Graphen führt die sequentielle Abscheidung von Kohlenstoff und Bor auf einem Ag(111)-Substrat im Ultrahochvakuum (UHV) zu nahezu atomar präzisen lateralen Heterogrenzflächen mit vorhergesagten Gitterausrichtungen sowie vertikalen Heterogrenzflächen .
Vorbereitung auf das Studium
Bevor die Heterostruktur untersucht werden konnte, musste sie hergestellt werden. Das Wachstum von Graphen und Borophen erfolgte in einer Ultrahochvakuumkammer mit einem Druck von 1x10-10 Millibar.
Das einkristalline Ag(111)-Substrat wurde durch wiederholte Zyklen aus Ar+-Sputtern (1 x 10-5 Millibar, 800 eV, 30 Minuten) und thermischem Tempern (550 °C, 45 Minuten) gereinigt, um ein atomar sauberes und flaches Ag( 111) Oberfläche. .
Graphen wurde durch Elektronenstrahlverdampfung eines reinen (99,997 %) Graphitstabs mit einem Durchmesser von 2.0 mm auf einem auf 750 °C erhitzten Ag (111)-Substrat mit einem Heizstrom von ~ 1.6 A und einer Beschleunigungsspannung von ~ 2 kV gezüchtet , was einen Emissionsstrom von ~ 70 mA und einen Kohlenstofffluss von ~ 40 nA ergibt. Der Druck in der Kammer betrug 1 x 10-9 Millibar.
Borophen wurde durch Elektronenstrahlverdampfung eines reinen (99,9999 %) Borstabs auf Submonoschicht-Graphen auf Ag (400) gezüchtet, das auf 500–111 °C erhitzt wurde. Der Filamentstrom betrug ~1.5 A und die Beschleunigungsspannung betrug 1.75 kV, was einen Emissionsstrom von ~34 mA und einen Borfluss von ~10 nA ergibt. Der Druck in der Kammer betrug während des Wachstums von Borophen etwa 2 x 10-10 Millibar.
Ergebnisse der Studie
Bild #1
Auf dem Bild 1А gezeigt STM* eine Momentaufnahme von gewachsenem Graphen, wobei die Graphendomänen am besten anhand einer Karte visualisiert werden können dI/dV (1V) wo I и V sind der Tunnelstrom und die Probenverschiebung, und d - Dichte.
STM* - Rastertunnelmikroskop.
dI/dV Durch Karten der Probe konnten wir eine höhere lokale Zustandsdichte von Graphen im Vergleich zum Ag(111)-Substrat erkennen. In Übereinstimmung mit früheren Studien weist der Oberflächenzustand von Ag (111) eine Stufencharakteristik auf, die durch zu positiven Energien verschoben ist dI/dV Spektrum von Graphen (1S), was die höhere lokale Zustandsdichte von Graphen erklärt 1V bei 0.3 eV.
Auf dem Bild 1D Wir können die Struktur von einschichtigem Graphen sehen, wo das Wabengitter und Moiré-Überbau*.
Überbau* - ein Merkmal der Struktur einer kristallinen Verbindung, das sich in einem bestimmten Abstand wiederholt und so eine neue Struktur mit einer anderen Wechselperiode erzeugt.
Moire* - Überlagerung zweier periodischer Maschenmuster übereinander.
Bei niedrigeren Temperaturen führt das Wachstum zur Bildung dendritischer und defekter Graphendomänen. Aufgrund schwacher Wechselwirkungen zwischen Graphen und dem darunter liegenden Substrat ist die Rotationsausrichtung von Graphen in Bezug auf das darunter liegende Ag(111) nicht eindeutig.
Nach der Borabscheidung, Rastertunnelmikroskopie (1Е) zeigte das Vorhandensein einer Kombination aus Borophen- und Graphendomänen. Im Bild sind auch Bereiche innerhalb des Graphens sichtbar, die später als mit Borophen interkaliertes Graphen identifiziert wurden (im Bild angegeben). Gr/B). Auch lineare Elemente, die in drei Richtungen ausgerichtet sind und einen Winkel von 120° voneinander haben, sind in diesem Bereich deutlich zu erkennen (gelbe Pfeile).
Bild #2
Foto an 2АAls 1Еbestätigen das Auftreten lokalisierter dunkler Vertiefungen im Graphen nach der Borabscheidung.
Um diese Formationen besser untersuchen und ihren Ursprung herausfinden zu können, wurde ein weiteres Foto des gleichen Gebiets gemacht, jedoch unter Verwendung von Karten |dlnI/dz| (2B), wo I — Tunnelstrom, d ist die Dichte und z — Trennung zwischen Sonde und Probe (der Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Durch den Einsatz dieser Technik ist es möglich, Bilder mit hoher räumlicher Auflösung zu erhalten. Sie können hierfür auch CO oder H2 an der Mikroskopnadel verwenden.
Bild 2S ist ein Bild, das mit einem STM aufgenommen wurde, dessen Spitze mit CO beschichtet wurde. Vergleich von Bildern А, В и С zeigt, dass alle atomaren Elemente als drei benachbarte helle Sechsecke definiert sind, die in zwei nicht äquivalente Richtungen gerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke auf den Fotos).
Vergrößerte Bilder dieses Bereichs (2D) bestätigen, dass diese Elemente mit Bor-Dotierungsverunreinigungen übereinstimmen, die zwei Graphen-Untergitter besetzen, wie die überlagerten Strukturen zeigen.
Durch die CO-Beschichtung der Mikroskopnadel konnte die geometrische Struktur der Borophenschicht sichtbar gemacht werden (2Е), was unmöglich wäre, wenn die Nadel normal (aus Metall) ohne CO-Beschichtung wäre.
Bild #3
Bildung lateraler Heterogrenzflächen zwischen Borophen und Graphen (3А) sollte auftreten, wenn Borophen neben Graphendomänen wächst, die bereits Bor enthalten.
Wissenschaftler erinnern daran, dass laterale Heterogrenzflächen auf Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bornitrid) eine Gitterkonsistenz aufweisen und Heteroübergänge auf Basis von Übergangsmetalldichalkogeniden eine Symmetriekonsistenz aufweisen. Im Fall von Graphen/Borophen ist die Situation etwas anders – sie weisen hinsichtlich der Gitterkonstanten oder der Kristallsymmetrie nur minimale strukturelle Ähnlichkeit auf. Trotzdem weist die laterale Graphen/Borophen-Heterogrenzfläche eine nahezu perfekte atomare Konsistenz auf, wobei die Richtungen der Borreihe (B-Reihe) mit den Zickzackrichtungen (ZZ) des Graphens ausgerichtet sind (3А). An 3V Dargestellt ist ein vergrößertes Bild der ZZ-Region der Heterogrenzfläche (blaue Linien zeigen Grenzflächenelemente an, die kovalenten Bor-Kohlenstoff-Bindungen entsprechen).
Da Borophen im Vergleich zu Graphen bei einer niedrigeren Temperatur wächst, ist es unwahrscheinlich, dass die Kanten der Graphendomäne eine hohe Beweglichkeit aufweisen, wenn sie eine Heterogrenzfläche mit Borophen bilden. Daher ist die nahezu atomar präzise Heterogrenzfläche wahrscheinlich das Ergebnis unterschiedlicher Konfigurationen und Eigenschaften von Multisite-Borbindungen. Rastertunnelspektroskopiespektren (3S) und differenzielle Tunnelleitfähigkeit (3D) zeigen, dass der elektronische Übergang von Graphen zu Borophen über eine Distanz von ~5 Å ohne sichtbare Grenzflächenzustände erfolgt.
Auf dem Bild 3Е Dargestellt sind drei Rastertunnelspektroskopiespektren, die entlang der drei gestrichelten Linien in 3D aufgenommen wurden und bestätigen, dass dieser kurze elektronische Übergang unempfindlich gegenüber lokalen Grenzflächenstrukturen ist und mit dem an Borophen-Silber-Grenzflächen vergleichbar ist.
Bild #4
Graphen Interkalation* wurde bereits ausführlich untersucht, die Umwandlung von Interkalanten in echte 2D-Schichten ist jedoch relativ selten.
Interkalation* - reversibler Einschluss eines Moleküls oder einer Molekülgruppe zwischen anderen Molekülen oder Molekülgruppen.
Der kleine Atomradius von Bor und die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Ag(111) lassen auf eine mögliche Interkalation von Graphen mit Bor schließen. Im Bild 4А Es werden nicht nur Beweise für die Interkalation von Bor vorgelegt, sondern auch für die Bildung vertikaler Borophen-Graphen-Heterostrukturen, insbesondere dreieckiger Domänen, die von Graphen umgeben sind. Das auf dieser dreieckigen Domäne beobachtete Wabengitter bestätigt das Vorhandensein von Graphen. Dieses Graphen weist jedoch bei -50 meV eine geringere lokale Zustandsdichte im Vergleich zum umgebenden Graphen auf (4V). Im Vergleich zu Graphen direkt auf Ag(111) gibt es keine Hinweise auf eine hohe lokale Zustandsdichte im Spektrum dI/dV (4C, blaue Kurve), die dem Ag(111)-Oberflächenzustand entspricht, ist der erste Beweis für eine Bor-Interkalation.
Außerdem bleibt das Graphengitter, wie für eine teilweise Interkalation zu erwarten, über die gesamte laterale Grenzfläche zwischen dem Graphen und dem dreieckigen Bereich kontinuierlich (4D - entspricht einer rechteckigen Fläche auf 4А, eingekreist in roter gestrichelter Linie). Ein Bild mit CO auf einer Mikroskopnadel bestätigte auch das Vorhandensein von Bor-Substitutionsverunreinigungen (4E - entspricht einer rechteckigen Fläche auf 4А, eingekreist in einer gelben gepunkteten Linie).
Bei der Analyse wurden auch Mikroskopnadeln ohne Beschichtung verwendet. In diesem Fall wurden Anzeichen eindimensionaler linearer Elemente mit einer Periodizität von 5 Å in den interkalierten Graphendomänen entdeckt (4F и 4G). Diese eindimensionalen Strukturen ähneln den Borreihen im Borophen-Modell. Zusätzlich zu den Punkten, die Graphen entsprechen, wird das Bild in Fourier transformiert 4G Zeigt ein Paar orthogonaler Punkte an, die einem rechteckigen Gitter von 3 Å x 5 Å entsprechen (4Н), was in hervorragender Übereinstimmung mit dem Borophen-Modell ist. Darüber hinaus ist die beobachtete dreifache Ausrichtung der Anordnung linearer Elemente (1Е) stimmt gut mit der gleichen vorherrschenden Struktur überein, die für Borophenschichten beobachtet wurde.
Alle diese Beobachtungen deuten stark auf die Interkalation von Graphen durch Borophen in der Nähe der Kanten von Ag hin, was folglich zur Bildung vertikaler Borophen-Graphen-Heterostrukturen führt, was vorteilhaft durch eine Erhöhung der anfänglichen Bedeckung mit Graphen realisiert werden kann.
4I ist eine schematische Darstellung einer vertikalen Heterostruktur auf 4H, wobei die Richtung der Borreihe (rosa Pfeil) eng mit der Zickzackrichtung von Graphen (schwarzer Pfeil) übereinstimmt und somit eine rotationsproportionale vertikale Heterostruktur bildet.
Für eine detailliertere Bekanntschaft mit den Nuancen der Studie empfehle ich einen Blick auf и zu ihm.
Letzter Akt
Diese Studie zeigte, dass Borophen durchaus in der Lage ist, mit Graphen laterale und vertikale Heterostrukturen zu bilden. Solche Systeme können bei der Entwicklung neuartiger zweidimensionaler Elemente für die Nanotechnologie, flexibler und tragbarer Elektronik sowie neuartiger Halbleiter eingesetzt werden.
Die Forscher selbst glauben, dass ihre Entwicklung ein gewaltiger Vorstoß für elektronikbezogene Technologien sein könnte. Es ist jedoch immer noch schwierig, mit Sicherheit zu sagen, ob ihre Worte prophetisch werden. Im Moment gibt es noch viel zu erforschen, zu verstehen und zu erfinden, damit die Science-Fiction-Ideen, die die Köpfe der Wissenschaftler beschäftigen, zur vollen Realität werden.
Vielen Dank fürs Lesen, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine tolle Woche, Leute. 🙂
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Source: habr.com