{"id":39036,"date":"2019-10-31T22:27:30","date_gmt":"2019-10-31T19:27:30","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/dvumernyj-duet-sozdanie-borofen-grafenovyh-geterostruktur\/"},"modified":"2019-10-31T22:27:30","modified_gmt":"2019-10-31T19:27:30","slug":"dvumernyj-duet-sozdanie-borofen-grafenovyh-geterostruktur","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/de\/blog\/novosti-interneta\/dvumernyj-duet-sozdanie-borofen-grafenovyh-geterostruktur","title":{"rendered":"Zweidimensionales Duett: Erstellung von Borophen-Grafen-Heterostrukturen","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Zweidimensionales
\n
\n\u201eMutation ist der Schl\u00fcssel zur Entschl\u00fcsselung 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\u201c (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 verl\u00e4uft \u00fcber einen Gro\u00dfteil der Zeit gleichm\u00e4\u00dfig, doch manchmal kommt es zu Spr\u00fcngen, die enorme Auswirkungen auf den gesamten Prozess haben. Das gilt nicht nur f\u00fcr die Evolution der Arten, sondern auch f\u00fcr 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 evolution\u00e4ren 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 gew\u00e4hlt wurden und welche Eigenschaften ein solches System haben kann? Dar\u00fcber berichtet uns der Vortrag der Forschungsgruppe. Lassen Sie uns beginnen.<\/a><\/noindex><\/p>\n

Grundlage der Forschung<\/h3>\n

\nDer Begriff \u201eGraphen\u201c ist uns inzwischen wohlbekannt \u2013 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 \u201eBorophen\u201c ein sehr seltener Begriff. Er bezeichnet einen zweidimensionalen Kristall, der ausschlie\u00dflich aus Bor-Atomen (B) besteht. Die M\u00f6glichkeit, dass Borophen existiert, wurde erstmals Mitte der 90er Jahre vorhergesagt, aber in der Praxis gelang es erst 2015, diese Struktur zu erhalten. <\/p>\n

Die atomare Struktur von Borophen besteht aus dreieckigen und hexagonalen Elementen und ist das Ergebnis der Wechselwirkungen zwischen zwei- und mehrzentralen Intraebene-Bindungen, die f\u00fcr Elemente mit Elektronendefizit, wie Bor, typisch sind.<\/p>\n

*<\/b>Unter zwei- und mehrzentralen Bindungen versteht man chemische Bindungen \u2013 Interaktionen von Atomen, die die Stabilit\u00e4t eines Molek\u00fcls oder Kristalls als Einheit strukturieren. Zum Beispiel entsteht eine zweizentrierte zwei-Elektronen-Bindung, wenn zwei Atome zwei Elektronen teilen, w\u00e4hrend eine zweizentrierte drei-Elektronen-Bindung sich bildet, wenn zwei Atome und drei Elektronen beteiligt sind, und so weiter.<\/p><\/blockquote>\n

Physikalisch gesehen k\u00f6nnte Borophen st\u00e4rker und flexibler sein als Graphen. Es wird auch angenommen, dass Borophenstrukturen eine effektive Erg\u00e4nzung f\u00fcr Batterien darstellen k\u00f6nnen, da sie eine hohe spezifische Kapazit\u00e4t sowie einzigartige Eigenschaften in der elektronischen Leitf\u00e4higkeit und Ionenleitung aufweisen. Allerdings bleibt dies bisher lediglich eine Theorie.<\/p>\n

Als dreiwertiges Element*<\/i>, hat Bor mindestens 10 Allotropen*<\/i>. In zweidimensionaler Form ist ein solcher Polymorphismus*<\/i> ebenfalls zu beobachten. <\/p>\n

Das dreiwertige Element*<\/b> kann drei kovalente Bindungen formen, deren Valenz gleich drei ist. <\/p><\/blockquote>\n

Allotropie*<\/b> bedeutet, dass ein chemisches Element in zwei oder mehr einfachen Substanzen dargestellt werden kann. Ein Beispiel daf\u00fcr sind Kohlenstoffformen wie Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanor\u00f6hren usw.<\/p><\/blockquote>\n

Polymorphismus*<\/b> ist die F\u00e4higkeit eines Stoffes, in unterschiedlichen kristallinen Strukturen (polymorphen Modifikationen) zu existieren. Im Fall von einfachen Stoffen ist dieser Begriff ein Synonym f\u00fcr Allotropie. <\/p><\/blockquote>\n

Angesichts der hohen Polymorphie k\u00f6nnte Borophen m\u00f6glicherweise ein hervorragender Kandidat f\u00fcr die Herstellung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein, da verschiedene Borverkn\u00fcpfungen die Anforderungen an die Gitteranpassung verringern sollten. Leider wurde dieses Thema bisher aufgrund der Komplexit\u00e4t der Synthese ausschlie\u00dflich auf theoretischer Ebene untersucht.<\/p>\n

F\u00fcr herk\u00f6mmliche 2D-Materialien, die aus massiven Schichtkristallen gewonnen werden, k\u00f6nnen vertikale Heterostrukturen durch mechanisches Stapeln realisiert werden. Andererseits basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf einer aufsteigenden Synthese. Atomar pr\u00e4zise laterale Heterostrukturen haben gro\u00dfes Potenzial zur L\u00f6sung von Herausforderungen bei der Kontrolle der Funktionalit\u00e4ten des Hetero\u00fcbergangs, jedoch f\u00fchrt aufgrund der kovalenten Bindung die unvollkommene Gitteranpassung in der Regel zu breiten und ungeordneten Interfaces. Daher besteht Potenzial, aber auch Herausforderungen bei der Umsetzung.<\/p>\n

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 f\u00fchrt 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. <\/p>\n

Vorbereitung der Studie<\/h3>\n

\nVor 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\u00d710\u207b\u00b9\u2070 Millibar.<\/p>\n

Das monokristalline Substrat Ag(111) wurde durch wiederholte Zyklen der Ar+-Spr\u00fchbehandlung (1 \u00d7 10\u207b\u2075 Millibar, Energie 800 eV, 30 Minuten) und thermische Ausgl\u00fchen (550 \u00b0C, 45 Minuten) gereinigt, um eine atomrein und flache Oberfl\u00e4che von Ag(111) zu erhalten.<\/p>\n

Das Wachstum von Graphen erfolgte durch elektronische Strahlverdampfung eines reinen (99,997%) Graphenstabs mit einem Durchmesser von 2,0 mm auf ein auf 750 \u00b0C beheiztes Ag (111)-Substrat bei einer Heizstromst\u00e4rke 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.<\/p>\n

Das Wachstum von Borophen erfolgte durch elektronische Strahlverdampfung eines reinen (99,9999%) Borstabs auf einen auf 400-500 \u00b0C 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 w\u00e4hrend des Wachstums von Borophen lag bei etwa 2 x 10^-10 Millibar.<\/p>\n

Die Forschungsergebnisse<\/h3>\n

\n\"Zweidimensionales
\nAbbildung Nr. 1<\/i><\/p>\n

Im Bild 1A<\/b> ein STM*<\/i> Bild des gewachsenen Graphens, wo die Graphen-Dom\u00e4nen am besten durch die Karte visualisiert werden dI<\/i>\/dV<\/i> (1V<\/b>), wo I<\/i> und inhalte und den eigentlichen Inhalt<\/i> \u2014 Tunnelstrom und Probenversatz, und d<\/i> \u2014 Dichte. <\/p>\n

STM*<\/b> \u2014 Rastertunnelmikroskop.<\/p><\/blockquote>\n

dI<\/i>\/dV<\/i> Musterkarten erm\u00f6glichten eine h\u00f6here lokale Dichte der Zust\u00e4nde von Graphen im Vergleich zum Substrat Ag (111). Entsprechend vorhergehender Studien zeigt der Oberfl\u00e4chenzustand von Ag (111) eine stufige Charakteristik, die in Richtung positiver Energien verschoben ist, dI<\/i>\/dV<\/i> im Spektrum von Graphen (1C<\/b>), was die h\u00f6here lokale Dichte der Zust\u00e4nde von Graphen bei 1V<\/b> 0,3 eV erkl\u00e4rt.<\/p>\n

Im Bild 1D<\/b> Wir k\u00f6nnen die Struktur des monolayer Graphens sehen, wo das hexagonale Gitter deutlich sichtbar ist und eine Moir\u00e9-Oberstruktur*<\/i>.<\/p>\n

Oberstruktur* <\/b> ist ein Merkmal der kristallinen Struktur, das sich in bestimmten Abst\u00e4nden wiederholt und so eine neue Struktur mit einem anderen Periodizit\u00e4tswechsel erzeugt. <\/p>\n

Moir\u00e9*<\/b> ist die \u00dcberlagerung zweier periodischer Netzgemuster.<\/p><\/blockquote>\n

Bei niedrigeren Temperaturen f\u00fchrt das Wachstum zur Bildung von dendritischen und defekten Graphen-Dom\u00e4nen. Aufgrund der schwachen Wechselwirkungen zwischen Graphen und dem darunterliegenden Substrat ist die rotatorische Ausrichtung des Graphens relativ zum darunterliegenden Ag (111) nicht einzigartig.<\/p>\n

Nach der Abscheidung von Bor zeigt die Rastertunnelmikroskopie (1E<\/b>) zeigte das Vorhandensein von Borophen- und Graphen-Dom\u00e4nen. Auf dem Bild sind auch Bereiche innerhalb des Graphens zu sehen, die sp\u00e4ter als mit Borophen interkalierter Graphen identifiziert wurden (auf dem Bild gekennzeichnet Gr\/B<\/b>). In diesem Bereich sind auch gut die linearen Elemente zu erkennen, die in drei Richtungen ausgerichtet und um 120 \u00b0 (gelbe Pfeile) voneinander getrennt sind.<\/p>\n

\"Zweidimensionales
\nAbbildung Nr. 2<\/i><\/p>\n

Das Bild auf 2A<\/b>, sowie 1E<\/b>, best\u00e4tigen das Auftreten von lokalisierten dunklen Vertiefungen (Depressionen) im Graphen nach der Ablagerung von Bor.<\/p>\n

Um diese Strukturen besser zu untersuchen und deren Ursprung zu kl\u00e4ren, wurde ein weiteres Bild des gleichen Bereichs gemacht, jedoch unter Verwendung von Karten |dlnI<\/i>\/dz| (2\u0412), \u0433\u0434\u0435 I<\/i> \u2014 Tunnelstrom, d<\/i> \u2014 Dichte, und z<\/i> \u2014 Abstand Sonde-Probe (Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Die Anwendung dieser Methode erm\u00f6glicht Bilder mit h\u00f6herer r\u00e4umlicher Aufl\u00f6sung. Au\u00dferdem kann daf\u00fcr CO oder H2 an der Mikroskopnadel verwendet werden. <\/p>\n

Das Bild 2C<\/b> ist ein Schnappschuss, der mit STM aufgenommen wurde, dessen Nadel mit CO beschichtet war. Der Vergleich der Bilder A<\/b>, In<\/b> und E<\/b> zeigt, dass alle atomaren Elemente als drei benachbarte, leuchtende Sechsecke definiert sind, die in zwei nicht \u00e4quivalente Richtungen ausgerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke auf den Bildern). <\/p>\n

Vergr\u00f6\u00dferte Bilder dieses Bereichs (2D<\/b>) best\u00e4tigen, dass diese Elemente mit den legierenden Bor-Verunreinigungen \u00fcbereinstimmen, die zwei Subgitter des Graphens einnehmen, was auch durch die \u00fcberlagerten Strukturen angezeigt wird.<\/p>\n

Die CO-beschichtete Mikroskopnadel erm\u00f6glichte die Aufdeckung der geometrischen Struktur des Borophenes (2E<\/b>), was mit einer standardm\u00e4\u00dfigen (metallischen) Nadel ohne CO-Beschichtung nicht m\u00f6glich gewesen w\u00e4re.<\/p>\n

\"Zweidimensionales
\nAbbildung Nr. 3<\/i><\/p>\n

Die Bildung von lateralen hetero-Schnittstellen zwischen Borophen und Graphen (3A<\/b>) sollte eintreten, wenn Borophen neben Graphen-Domen w\u00e4chst, in denen bereits Bor vorhanden ist. <\/p>\n

Wissenschaftler weisen darauf hin, dass laterale Hetero-Schnittstellen auf der Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bor-Nitrid) eine Gitter\u00fcbereinstimmung aufweisen, w\u00e4hrend Hetero\u00fcberg\u00e4nge auf Grundlage von \u00dcbergangsmetall-Dichalkogeniden eine Symmetrie\u00fcbereinstimmung besitzen. Im Fall von Graphen\/Borophen ist die Situation etwas anders \u2013 sie zeigen minimale strukturelle \u00c4hnlichkeiten in Bezug auf Gitterkonstanten oder kristalline Symmetrie. Dennoch zeigt die laterale Hetero-Schnittstelle Graphen\/Borophen eine praktisch ideale atomare \u00dcbereinstimmung, wobei die Bor-Reihen (B-row) mit den Zickzack-Richtungen (ZZ) des Graphens \u00fcbereinstimmen.3A<\/b>Auf 3V<\/b> ist eine vergr\u00f6\u00dferte Darstellung des ZZ-Bereichs der Hetero-Schnittstelle gezeigt (die blauen Linien markieren die interphasen Elemente, die den Bor-Kohlenstoff-kovalenten Bindungen entsprechen).<\/p>\n

Da das Wachstum von Borofen bei niedrigeren Temperaturen als bei Graphen erfolgt, ist es unwahrscheinlich, dass die R\u00e4nder der Graphenbereiche eine hohe Mobilit\u00e4t beim Bilden der Heterogrenzfl\u00e4che mit Borofen aufweisen. Folglich ist ein nahezu atomar pr\u00e4ziser Heterogrenzbereich wahrscheinlich das Ergebnis unterschiedlicher Konfigurationen und Eigenschaften der mehrzentralen Borbindungen. Die Spektren der Rastertunnelmikroskopie (3C<\/b>) und der differentiellen Tunnelleitf\u00e4higkeit (3D<\/b>) zeigen, dass der elektronische \u00dcbergang von Graphen zu Borofen \u00fcber eine Distanz von ~ 5 \u00c5 ohne sichtbare Zust\u00e4nde an der Grenzfl\u00e4che erfolgt.<\/p>\n

Im Bild 3E<\/b> zeigen drei Spektren der Rastertunnelmikroskopie, die entlang der drei gestrichelten Linien in 3D aufgenommen wurden und best\u00e4tigen, dass dieser kurze elektronische \u00dcbergang unempfindlich gegen\u00fcber lokalen Grenzfl\u00e4chenstrukturen ist und vergleichbar ist mit dem an den R\u00e4ndern von Borofen-Silber. <\/p>\n

\"Zweidimensionales
\nBild Nr. 4<\/i><\/p>\n

Graphen Interkalation*<\/i> wurde ebenfalls zuvor umfassend untersucht, jedoch ist die Umwandlung von Interkalanten in echte 2D-Bl\u00e4tter ein relativ seltenes Ph\u00e4nomen.<\/p>\n

Interkalation*<\/b> \u2014 reversible insertion of a molecule or group of molecules between other molecules or groups of molecules.<\/p><\/blockquote>\n

Der kleine Atomradius von Bor und die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Ag (111) lassen auf eine m\u00f6gliche Interkalation von Graphen mit Bor schlie\u00dfen. Auf dem Bild 4\u0410<\/b> sind nicht nur Beweise f\u00fcr die Interkalation von Bor, sondern auch die Bildung von vertikalen Borophen-Graphen-Heterostrukturen dargestellt, insbesondere von dreieckigen Dom\u00e4nen, die von Graphen umgeben sind. Das auf dieser dreieckigen Dom\u00e4ne beobachtete gitterartige Muster best\u00e4tigt das Vorhandensein von Graphen. Allerdings weist dieses Graphen bei -50 meV eine niedrigere lokale Zustandsdichte im Vergleich zu dem umgebenden Graphen auf (4B<\/b>). Im Vergleich zu dem Graphen direkt auf Ag (111) weist das Fehlen von Anzeichen einer hohen lokalen Zustandsdichte im Spektrum dI<\/i>\/dV<\/i> (4C<\/b>(blaue Kurve), die dem Oberfl\u00e4chenzustand von Ag (111) entspricht, den ersten Beweis f\u00fcr die Interkalation von Bor dar.<\/p>\n

Wie f\u00fcr eine partielle Interkalation erwartet, bleibt das Graphengitter \u00fcber die gesamte laterale Schnittstelle zwischen Graphen und dem dreieckigen Bereich hinweg kontinuierlich (4D<\/b> \u2014 entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4\u0410<\/b>, umrandet mit einer roten gestrichelten Linie). Das Bild, das mit einer SO-Anwendung an der Mikroskopnadel erstellt wurde, best\u00e4tigte ebenfalls das Vorhandensein von substituierten Borverunreinigungen (4E<\/b> \u2014 entspricht dem rechteckigen Bereich auf 4\u0410<\/b>, umrandet mit einer gelben gestrichelten Linie).<\/p>\n

W\u00e4hrend 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 Periodizit\u00e4t von 5 \u00c5 festgestellt (4F<\/b> und 4G<\/b>). Diese eindimensionalen Strukturen erinnern an Borreihen im Borophen-Modell. Zus\u00e4tzlich zu der Reihe von Punkten, die Graphen entsprechen, zeigt die Fourier-Transformation des Bildes auf 4G<\/b> ein Paar orthogonaler Punkte, die mit dem rechteckigen Gitter von 3 \u00c5 x 5 \u00c5 \u00fcbereinstimmen (4\u041d<\/b>), was hervorragend mit dem Borophen-Modell \u00fcbereinstimmt. Zudem stimmt die beobachtete dreifache Orientierung des Gitters der linearen Elemente (1E<\/b>) gut mit derselben vorherrschenden Struktur \u00fcberein, die f\u00fcr Borophen-Bl\u00e4tter beobachtet wurde.<\/p>\n

Alle diese Beobachtungen belegen \u00fcberzeugend die Interkalation von Graphen durch Borophen nahe den Kanten von Ag, was folglich zur Bildung von vertikalen Heterostrukturen aus Borophen-Graphen f\u00fchrt, die \u00fcberwiegend durch eine Erh\u00f6hung der urspr\u00fcnglichen Graphenabdeckung realisiert werden k\u00f6nnen.<\/p>\n

4I<\/b> stellt eine schematische Darstellung einer vertikalen Heterostruktur dar, 4H<\/b>bei der die Richtung der Borreihe (rosa Pfeil) eng mit der zickzackf\u00f6rmigen Ausrichtung des Graphens (schwarzer Pfeil) ausgerichtet ist, wodurch eine rotationssymmetrische vertikale Heterostruktur entsteht.<\/p>\n

F\u00fcr eine detailliertere Auseinandersetzung mit den Feinheiten der Forschung empfehle ich einen Blick in den Bericht der Wissenschaftler<\/a><\/noindex> und Zus\u00e4tzliche Materialien<\/a><\/noindex> dazu.<\/p>\n

Epilog<\/h3>\n

\nDiese Studie hat gezeigt, dass Borophen in der Lage ist, laterale und vertikale Heterostrukturen mit Graphen zu bilden. Solche Systeme k\u00f6nnen 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.<\/p>\n

Die Forscher selbst sind der Meinung, dass ihre Entwicklung einen starken Schub f\u00fcr technologiebezogene Fortschritte im Bereich der Elektronik geben k\u00f6nnte. 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 K\u00f6pfe von Wissenschaftlern f\u00fcllen, tats\u00e4chlich zur Realit\u00e4t werden.<\/p>\n

Vielen Dank f\u00fcr Ihre Aufmerksamkeit. Bleiben Sie neugierig und haben Sie eine erfolgreiche Arbeitswoche, alle zusammen. \ud83d\ude42<\/p>\n

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Quelle: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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