„Mutation ist der Schlüssel zur Entschlüsselung des Geheimnisses der Evolution. Der Entwicklungsweg vom einfachsten Organismus bis zur dominierenden biologischen Art dauert Jahrtausende. Aber alle paar hunderttausend Jahre geschieht in der Evolution ein drastischer Sprung nach vorne“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Wenn wir alle science-fiction Elemente, die in Comics und Filmen vorkommen, beiseite lassen, sind die Worte von Professor X durchaus wahr. Die Entwicklung von etwas verläuft über einen Großteil der Zeit gleichmäßig, doch manchmal kommt es zu Sprüngen, die enorme Auswirkungen auf den gesamten Prozess haben. Das gilt nicht nur für die Evolution der Arten, sondern auch für die Evolution der Technologien, deren Hauptmotor die Menschen, ihre Forschungen und Erfindungen sind. Heute werden wir Sie mit einer Untersuchung vertrautmachen, die in den Augen ihrer Autoren einen echten evolutionären Sprung in der Nanotechnologie darstellt. Wie es den Wissenschaftlern der Northwestern University (USA) gelungen ist, eine neue zweidimensionale Heterostruktur zu entwickeln, warum Graphen und Borophen als Grundlage gewählt wurden und welche Eigenschaften ein solches System haben kann? Darüber berichtet uns der Vortrag der Forschungsgruppe. Lassen Sie uns beginnen.
Grundlage der Forschung
Der Begriff „Graphen“ ist uns inzwischen wohlbekannt – es handelt sich um eine zweidimensionale Modifikation des Kohlenstoffs, die aus einer Schicht von Atomen besteht, die nur ein Atom dick ist. Im Gegensatz dazu ist „Borophen“ ein sehr seltener Begriff. Er bezeichnet einen zweidimensionalen Kristall, der ausschließlich aus Bor-Atomen (B) besteht. Die Möglichkeit, dass Borophen existiert, wurde erstmals Mitte der 90er Jahre vorhergesagt, aber in der Praxis gelang es erst 2015, diese Struktur zu erhalten.
Die atomare Struktur von Borophen besteht aus dreieckigen und hexagonalen Elementen und ist das Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen zwei- und mehrzentralen Intraebene-Bindungen, die für Elemente mit Elektronendefizit, wie Bor, typisch sind.
*Unter zwei- und mehrzentralen Bindungen versteht man chemische Bindungen – Interaktionen von Atomen, die die Stabilität eines Moleküls oder Kristalls als Einheit strukturieren. Zum Beispiel entsteht eine zweizentrierte zwei-Elektronen-Bindung, wenn zwei Atome zwei Elektronen teilen, während eine zweizentrierte drei-Elektronen-Bindung sich bildet, wenn zwei Atome und drei Elektronen beteiligt sind, und so weiter.
Physikalisch gesehen könnte Borophen stärker und flexibler sein als Graphen. Es wird auch angenommen, dass Borophenstrukturen eine effektive Ergänzung für Batterien darstellen können, da sie eine hohe spezifische Kapazität sowie einzigartige Eigenschaften in der elektronischen Leitfähigkeit und Ionenleitung aufweisen. Allerdings bleibt dies bisher lediglich eine Theorie.
Als dreiwertiges Element*, hat Bor mindestens 10 Allotropen*. In zweidimensionaler Form ist ein solcher Polymorphismus* ebenfalls zu beobachten.
Das dreiwertige Element* kann drei kovalente Bindungen formen, deren Valenz gleich drei ist.
Allotropie* bedeutet, dass ein chemisches Element in zwei oder mehr einfachen Substanzen dargestellt werden kann. Ein Beispiel dafür sind Kohlenstoffformen wie Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw.
Polymorphismus* ist die Fähigkeit eines Stoffes, in unterschiedlichen kristallinen Strukturen (polymorphen Modifikationen) zu existieren. Im Fall von einfachen Stoffen ist dieser Begriff ein Synonym für Allotropie.
Angesichts der hohen Polymorphie könnte Borophen möglicherweise ein hervorragender Kandidat für die Herstellung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein, da verschiedene Borverknüpfungen die Anforderungen an die Gitteranpassung verringern sollten. Leider wurde dieses Thema bisher aufgrund der Komplexität der Synthese ausschließlich auf theoretischer Ebene untersucht.
Für herkömmliche 2D-Materialien, die aus massiven Schichtkristallen gewonnen werden, können vertikale Heterostrukturen durch mechanisches Stapeln realisiert werden. Andererseits basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf einer aufsteigenden Synthese. Atomar präzise laterale Heterostrukturen haben großes Potenzial zur Lösung von Herausforderungen bei der Kontrolle der Funktionalitäten des Heteroübergangs, jedoch führt aufgrund der kovalenten Bindung die unvollkommene Gitteranpassung in der Regel zu breiten und ungeordneten Interfaces. Daher besteht Potenzial, aber auch Herausforderungen bei der Umsetzung.
In dieser Arbeit gelang es den Forschern, Borofen und Graphen in einer einzigen zweidimensionalen Heterostruktur zu integrieren. Trotz der Inkongruenz der kristallografischen Gitternetze und Symmetrien zwischen Borofen und Graphen führt die sequenzielle Abscheidung von Kohlenstoff und Bor auf einem Ag(111)-Substrat im Ultra-Hochvakuum (UHV) zu nahezu atomgenauen lateralen Heterointerfaces mit vorhergesagten Gitteranpassungen sowie zu vertikalen Heterointerfaces.
Vorbereitung der Studie
Vor der Untersuchung der Heterostruktur musste diese hergestellt werden. Das Wachstum von Graphen und Borofen erfolgte in einer Kammer mit Ultra-Hochvakuum bei einem Druck von 1×10⁻¹⁰ Millibar.
Das monokristalline Substrat Ag(111) wurde durch wiederholte Zyklen der Ar+-Sprühbehandlung (1 × 10⁻⁵ Millibar, Energie 800 eV, 30 Minuten) und thermische Ausglühen (550 °C, 45 Minuten) gereinigt, um eine atomrein und flache Oberfläche von Ag(111) zu erhalten.
Das Wachstum von Graphen erfolgte durch elektronische Strahlverdampfung eines reinen (99,997%) Graphenstabs mit einem Durchmesser von 2,0 mm auf ein auf 750 °C beheiztes Ag (111)-Substrat bei einer Heizstromstärke von ~ 1,6 A und einer Beschleunigungsspannung von ~ 2 kV, was einen Emissionsstrom von ~ 70 mA und einen Kohlenstofffluss von ~ 40 nA ergibt. Der Druck in der Kammer betrug 1 x 10^-9 Millibar.
Das Wachstum von Borophen erfolgte durch elektronische Strahlverdampfung eines reinen (99,9999%) Borstabs auf einen auf 400-500 °C beheizten Submonolayer-Graphen auf Ag (111). Der Heizstrom 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 während des Wachstums von Borophen lag bei etwa 2 x 10^-10 Millibar.
Die Forschungsergebnisse
Abbildung Nr. 1
Im Bild 1A ein STM* Bild des gewachsenen Graphens, wo die Graphen-Domänen am besten durch die Karte visualisiert werden dI/dV (1V), wo I und inhalte und den eigentlichen Inhalt — Tunnelstrom und Probenversatz, und d — Dichte.
STM* — Rastertunnelmikroskop.
dI/dV Musterkarten ermöglichten eine höhere lokale Dichte der Zustände von Graphen im Vergleich zum Substrat Ag (111). Entsprechend vorhergehender Studien zeigt der Oberflächenzustand von Ag (111) eine stufige Charakteristik, die in Richtung positiver Energien verschoben ist, dI/dV im Spektrum von Graphen (1C), was die höhere lokale Dichte der Zustände von Graphen bei 1V 0,3 eV erklärt.
Im Bild 1D Wir können die Struktur des monolayer Graphens sehen, wo das hexagonale Gitter deutlich sichtbar ist und eine Moiré-Oberstruktur*.
Oberstruktur* ist ein Merkmal der kristallinen Struktur, das sich in bestimmten Abständen wiederholt und so eine neue Struktur mit einem anderen Periodizitätswechsel erzeugt.
Moiré* ist die Überlagerung zweier periodischer Netzgemuster.
Bei niedrigeren Temperaturen führt das Wachstum zur Bildung von dendritischen und defekten Graphen-Domänen. Aufgrund der schwachen Wechselwirkungen zwischen Graphen und dem darunterliegenden Substrat ist die rotatorische Ausrichtung des Graphens relativ zum darunterliegenden Ag (111) nicht einzigartig.
Nach der Abscheidung von Bor zeigt die Rastertunnelmikroskopie (1E) zeigte das Vorhandensein von Borophen- und Graphen-Domänen. Auf dem Bild sind auch Bereiche innerhalb des Graphens zu sehen, die später als mit Borophen interkalierter Graphen identifiziert wurden (auf dem Bild gekennzeichnet Gr/B). In diesem Bereich sind auch gut die linearen Elemente zu erkennen, die in drei Richtungen ausgerichtet und um 120 ° (gelbe Pfeile) voneinander getrennt sind.
Abbildung Nr. 2
Das Bild auf 2A, sowie 1E, bestätigen das Auftreten von lokalisierten dunklen Vertiefungen (Depressionen) im Graphen nach der Ablagerung von Bor.
Um diese Strukturen besser zu untersuchen und deren Ursprung zu klären, wurde ein weiteres Bild des gleichen Bereichs gemacht, jedoch unter Verwendung von Karten |dlnI/dz| (2В), где I — Tunnelstrom, d — Dichte, und z — Abstand Sonde-Probe (Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Die Anwendung dieser Methode ermöglicht Bilder mit höherer räumlicher Auflösung. Außerdem kann dafür CO oder H2 an der Mikroskopnadel verwendet werden.
Das Bild 2C ist ein Schnappschuss, der mit STM aufgenommen wurde, dessen Nadel mit CO beschichtet war. Der Vergleich der Bilder A, In und E zeigt, dass alle atomaren Elemente als drei benachbarte, leuchtende Sechsecke definiert sind, die in zwei nicht äquivalente Richtungen ausgerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke auf den Bildern).
Vergrößerte Bilder dieses Bereichs (2D) bestätigen, dass diese Elemente mit den legierenden Bor-Verunreinigungen übereinstimmen, die zwei Subgitter des Graphens einnehmen, was auch durch die überlagerten Strukturen angezeigt wird.
Die CO-beschichtete Mikroskopnadel ermöglichte die Aufdeckung der geometrischen Struktur des Borophenes (2E), was mit einer standardmäßigen (metallischen) Nadel ohne CO-Beschichtung nicht möglich gewesen wäre.
Abbildung Nr. 3
Die Bildung von lateralen hetero-Schnittstellen zwischen Borophen und Graphen (3A) sollte eintreten, wenn Borophen neben Graphen-Domen wächst, in denen bereits Bor vorhanden ist.
Wissenschaftler weisen darauf hin, dass laterale Hetero-Schnittstellen auf der Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bor-Nitrid) eine Gitterübereinstimmung aufweisen, während Heteroübergänge auf Grundlage von Übergangsmetall-Dichalkogeniden eine Symmetrieübereinstimmung besitzen. Im Fall von Graphen/Borophen ist die Situation etwas anders – sie zeigen minimale strukturelle Ähnlichkeiten in Bezug auf Gitterkonstanten oder kristalline Symmetrie. Dennoch zeigt die laterale Hetero-Schnittstelle Graphen/Borophen eine praktisch ideale atomare Übereinstimmung, wobei die Bor-Reihen (B-row) mit den Zickzack-Richtungen (ZZ) des Graphens übereinstimmen.3AAuf 3V ist eine vergrößerte Darstellung des ZZ-Bereichs der Hetero-Schnittstelle gezeigt (die blauen Linien markieren die interphasen Elemente, die den Bor-Kohlenstoff-kovalenten Bindungen entsprechen).
Da das Wachstum von Borofen bei niedrigeren Temperaturen als bei Graphen erfolgt, ist es unwahrscheinlich, dass die Ränder der Graphenbereiche eine hohe Mobilität beim Bilden der Heterogrenzfläche mit Borofen aufweisen. Folglich ist ein nahezu atomar präziser Heterogrenzbereich wahrscheinlich das Ergebnis unterschiedlicher Konfigurationen und Eigenschaften der mehrzentralen Borbindungen. Die Spektren der Rastertunnelmikroskopie (3C) und der differentiellen Tunnelleitfähigkeit (3D) zeigen, dass der elektronische Übergang von Graphen zu Borofen über eine Distanz von ~ 5 Å ohne sichtbare Zustände an der Grenzfläche erfolgt.
Im Bild 3E zeigen drei Spektren der Rastertunnelmikroskopie, die entlang der drei gestrichelten Linien in 3D aufgenommen wurden und bestätigen, dass dieser kurze elektronische Übergang unempfindlich gegenüber lokalen Grenzflächenstrukturen ist und vergleichbar ist mit dem an den Rändern von Borofen-Silber.
Bild Nr. 4
Graphen Interkalation* wurde ebenfalls zuvor umfassend untersucht, jedoch ist die Umwandlung von Interkalanten in echte 2D-Blätter ein relativ seltenes Phänomen.
Interkalation* — reversible insertion of a molecule or group of molecules between other molecules or groups of molecules.
Der kleine Atomradius von Bor und die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Ag (111) lassen auf eine mögliche Interkalation von Graphen mit Bor schließen. Auf dem Bild 4А sind nicht nur Beweise für die Interkalation von Bor, sondern auch die Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen dargestellt, insbesondere von dreieckigen Domänen, die von Graphen umgeben sind. Das auf dieser dreieckigen Domäne beobachtete gitterartige Muster bestätigt das Vorhandensein von Graphen. Allerdings weist dieses Graphen bei -50 meV eine niedrigere lokale Zustandsdichte im Vergleich zu dem umgebenden Graphen auf (4B). Im Vergleich zu dem Graphen direkt auf Ag (111) weist das Fehlen von Anzeichen einer hohen lokalen Zustandsdichte im Spektrum dI/dV (4C(blaue Kurve), die dem Oberflächenzustand von Ag (111) entspricht, den ersten Beweis für die Interkalation von Bor dar.
Wie für eine partielle Interkalation erwartet, bleibt das Graphengitter über die gesamte laterale Schnittstelle zwischen Graphen und dem dreieckigen Bereich hinweg kontinuierlich (4D — entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4А, umrandet mit einer roten gestrichelten Linie). Das Bild, das mit einer SO-Anwendung an der Mikroskopnadel erstellt wurde, bestätigte ebenfalls das Vorhandensein von substituierten Borverunreinigungen (4E — entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4А, umrandet mit einer gelben gestrichelten Linie).
Während der Analyse wurden auch Mikroskopnadeln ohne jegliche Beschichtung verwendet. In diesem Fall wurden in den interkalierenden Graphen-Domenen Anzeichen von eindimensionalen linearen Elementen mit einer Periodizität von 5 Å festgestellt (4F und 4G). Diese eindimensionalen Strukturen erinnern an Borreihen im Borophen-Modell. Zusätzlich zu der Reihe von Punkten, die Graphen entsprechen, zeigt die Fourier-Transformation des Bildes auf 4G ein Paar orthogonaler Punkte, die mit dem rechteckigen Gitter von 3 Å x 5 Å übereinstimmen (4Н), was hervorragend mit dem Borophen-Modell übereinstimmt. Zudem stimmt die beobachtete dreifache Orientierung des Gitters der linearen Elemente (1E) gut mit derselben vorherrschenden Struktur überein, die für Borophen-Blätter beobachtet wurde.
Alle diese Beobachtungen belegen überzeugend die Interkalation von Graphen durch Borophen nahe den Kanten von Ag, was folglich zur Bildung von vertikalen Heterostrukturen aus Borophen-Graphen führt, die überwiegend durch eine Erhöhung der ursprünglichen Graphenabdeckung realisiert werden können.
4I stellt eine schematische Darstellung einer vertikalen Heterostruktur dar, 4Hbei der die Richtung der Borreihe (rosa Pfeil) eng mit der zickzackförmigen Ausrichtung des Graphens (schwarzer Pfeil) ausgerichtet ist, wodurch eine rotationssymmetrische vertikale Heterostruktur entsteht.
Für eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in und dazu.
Epilog
Diese Studie hat gezeigt, dass Borophen in der Lage ist, laterale und vertikale Heterostrukturen mit Graphen zu bilden. Solche Systeme können in der Entwicklung neuer Arten von zweidimensionalen Elementen verwendet werden, die in der Nanotechnologie, in flexibler und tragbarer Elektronik sowie in neuen Arten von Halbleitern eingesetzt werden.
Die Forscher selbst sind der Meinung, dass ihre Entwicklung einen starken Schub für technologiebezogene Fortschritte im Bereich der Elektronik geben könnte. Es bleibt jedoch abzuwarten, ob ihre Aussagen prophetisch sein werden. Momentan gibt es noch viel zu erforschen, zu verstehen und zu entwickeln, damit die wissenschaftlich-fantastischen Ideen, die die Köpfe von Wissenschaftlern füllen, tatsächlich zur Realität werden.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Bleiben Sie neugierig und haben Sie eine erfolgreiche Arbeitswoche, alle zusammen. 🙂
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Quelle: habr.com
