«Η μετάλλαξη είναι το κλειδί για την αποκάλυψη του μυστηρίου της εξέλιξης. Η πορεία ανάπτυξης από τον απλούστερο οργανισμό μέχρι το κυρίαρχο βιολογικό είδος διαρκεί χιλιάδες χρόνια. Αλλά κάθε εκατό χιλιάδες χρόνια υπάρχει ένα απότομο άλμα προς τα εμπρός στην εξέλιξη» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Αν απορρίψουμε όλα τα στοιχεία επιστημονικής φαντασίας που υπάρχουν στα κόμικς και τις ταινίες, τότε τα λόγια του καθηγητή Χ είναι αρκετά αληθινά. Η ανάπτυξη κάτι προχωρά ομοιόμορφα τις περισσότερες φορές, αλλά μερικές φορές υπάρχουν άλματα που έχουν τεράστιο αντίκτυπο σε όλη τη διαδικασία. Αυτό δεν ισχύει μόνο για την εξέλιξη των ειδών, αλλά και για την εξέλιξη της τεχνολογίας, ο κύριος μοχλός της οποίας είναι οι άνθρωποι, η έρευνα και οι εφευρέσεις τους. Σήμερα θα γνωρίσουμε μια μελέτη που, σύμφωνα με τους συγγραφείς της, είναι ένα πραγματικό εξελικτικό άλμα στη νανοτεχνολογία. Πώς κατάφεραν επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Northwestern (ΗΠΑ) να δημιουργήσουν μια νέα δισδιάστατη ετεροδομή, γιατί επιλέχθηκαν το γραφένιο και το βοροφένιο ως βάση και ποιες ιδιότητες μπορεί να έχει ένα τέτοιο σύστημα; Η έκθεση της ερευνητικής ομάδας θα μας πει για αυτό. Πηγαίνω.
Ερευνητική βάση
Τον όρο «γραφένιο» τον έχουμε ακούσει πολλές φορές· πρόκειται για μια δισδιάστατη τροποποίηση του άνθρακα, που αποτελείται από ένα στρώμα ατόμων άνθρακα πάχους 1 ατόμου. Αλλά το "borofen" είναι εξαιρετικά σπάνιο. Αυτός ο όρος αναφέρεται σε έναν δισδιάστατο κρύσταλλο που αποτελείται αποκλειστικά από άτομα βορίου (Β). Η πιθανότητα ύπαρξης βοροφαινίου είχε προβλεφθεί για πρώτη φορά στα μέσα της δεκαετίας του '90, αλλά στην πράξη αυτή η δομή αποκτήθηκε μόλις το 2015.
Η ατομική δομή του βοροφαινίου αποτελείται από τριγωνικά και εξαγωνικά στοιχεία και είναι συνέπεια της αλληλεπίδρασης μεταξύ δικεντρικών και πολυκεντρικών δεσμών σε επίπεδο, η οποία είναι πολύ χαρακτηριστική για στοιχεία με ανεπάρκεια ηλεκτρονίων, τα οποία περιλαμβάνουν το βόριο.
*Με τον όρο δικεντρικοί και πολυκεντρικοί δεσμοί εννοούμε χημικούς δεσμούς - αλληλεπιδράσεις ατόμων που χαρακτηρίζουν τη σταθερότητα ενός μορίου ή κρυστάλλου ως ενιαίας δομής. Για παράδειγμα, ένας δεσμός δύο κέντρων δύο ηλεκτρονίων εμφανίζεται όταν 2 άτομα μοιράζονται 2 ηλεκτρόνια και ένας δεσμός δύο κέντρων τριών ηλεκτρονίων εμφανίζεται όταν 2 άτομα και 3 ηλεκτρόνια κ.λπ.
Από φυσική άποψη, το βοροφένιο μπορεί να είναι ισχυρότερο και πιο εύκαμπτο από το γραφένιο. Πιστεύεται επίσης ότι οι δομές βοροφαινίου θα μπορούσαν να είναι ένα αποτελεσματικό συμπλήρωμα για τις μπαταρίες επειδή το βοροφένιο έχει υψηλή ειδική χωρητικότητα και μοναδικές ιδιότητες ηλεκτρονικής αγωγιμότητας και μεταφοράς ιόντων. Ωστόσο, αυτή τη στιγμή αυτό είναι απλώς μια θεωρία.
ύπαρξη τρισθενές στοιχείο*, το βόριο έχει τουλάχιστον 10 αλλοτροπες*. Σε δισδιάστατη μορφή, παρόμοια πολυμορφισμός* παρατηρείται επίσης.
Τρισθενές στοιχείο* ικανό να σχηματίσει τρεις ομοιοπολικούς δεσμούς, το σθένος των οποίων είναι τρεις.
Αλλοτροπία* - όταν ένα χημικό στοιχείο μπορεί να παρουσιαστεί με τη μορφή δύο ή περισσότερων απλών ουσιών. Για παράδειγμα, άνθρακας - διαμάντι, γραφένιο, γραφίτης, νανοσωλήνες άνθρακα κ.λπ.
Πολυμορφισμός* — την ικανότητα μιας ουσίας να υπάρχει σε διαφορετικές κρυσταλλικές δομές (πολυμορφικές τροποποιήσεις). Στην περίπτωση των απλών ουσιών, ο όρος αυτός είναι συνώνυμος με την αλλοτροπία.
Δεδομένου αυτού του ευρέος πολυμορφισμού, προτείνεται ότι το βοροφένιο μπορεί να είναι ένας εξαιρετικός υποψήφιος για τη δημιουργία νέων δισδιάστατων ετεροδομών, καθώς οι διαφορετικές διαμορφώσεις δεσμών βορίου θα πρέπει να χαλαρώνουν τις απαιτήσεις αντιστοίχισης του πλέγματος. Δυστυχώς, το θέμα αυτό είχε μελετηθεί στο παρελθόν αποκλειστικά σε θεωρητικό επίπεδο λόγω δυσκολιών στη σύνθεση.
Για τα συμβατικά δισδιάστατα υλικά που λαμβάνονται από κρυστάλλους με στρώματα χύδην, μπορούν να πραγματοποιηθούν κάθετες ετεροδομές χρησιμοποιώντας μηχανική στοίβαξη. Από την άλλη πλευρά, οι δισδιάστατες πλευρικές ετεροδομές βασίζονται στη σύνθεση από κάτω προς τα πάνω. Οι ατομικά ακριβείς πλευρικές ετεροδομές έχουν μεγάλες δυνατότητες στην επίλυση προβλημάτων λειτουργικού ελέγχου ετεροσυναρμολόγησης, ωστόσο, λόγω του ομοιοπολικού δεσμού, η ατελής αντιστοίχιση πλέγματος συνήθως οδηγεί σε ευρείες και διαταραγμένες διεπαφές. Επομένως, υπάρχουν δυνατότητες, αλλά υπάρχουν και προβλήματα στην πραγματοποίησή τους.
Σε αυτή την εργασία, οι ερευνητές κατάφεραν να ενσωματώσουν το βοροφένιο και το γραφένιο σε μια δισδιάστατη ετεροδομή. Παρά την αναντιστοιχία κρυσταλλογραφικού πλέγματος και τη συμμετρία μεταξύ βοροφαινίου και γραφενίου, η διαδοχική εναπόθεση άνθρακα και βορίου σε υπόστρωμα Ag(111) υπό εξαιρετικά υψηλό κενό (UHV) έχει ως αποτέλεσμα σχεδόν ατομικά ακριβείς πλευρικές ετεροδιεπαφές με προβλεπόμενες κατακόρυφες ευθυγραμμίσεις πλέγματος, καθώς και .
Προετοιμασία για τη μελέτη
Πριν μελετηθεί η ετεροδομή, έπρεπε να κατασκευαστεί. Η ανάπτυξη του γραφενίου και του βοροφαινίου πραγματοποιήθηκε σε έναν εξαιρετικά υψηλό θάλαμο κενού με πίεση 1x10-10 millibar.
Το μονοκρυσταλλικό υπόστρωμα Ag(111) καθαρίστηκε με επαναλαμβανόμενους κύκλους ψεκασμού Ar+ (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 λεπτά) και θερμική ανόπτηση (550 °C, 45 λεπτά) για να ληφθεί ένα ατομικά καθαρό και επίπεδο Ag( 111) επιφάνεια.
Το γραφένιο αναπτύχθηκε με εξάτμιση δέσμης ηλεκτρονίων μιας καθαρής (99,997%) ράβδου γραφίτη με διάμετρο 2.0 mm σε υπόστρωμα Ag (750) που θερμάνθηκε στους 111 °C με ρεύμα θέρμανσης ~ 1.6 Α και τάση επιτάχυνσης ~ 2 kV , που δίνει ρεύμα εκπομπής ~ 70 mA και ροή άνθρακα ~ 40 nA. Η πίεση στον θάλαμο ήταν 1 x 10-9 millibar.
Το βοροφαίνιο αναπτύχθηκε μέσω εξάτμισης δέσμης ηλεκτρονίων μιας καθαρής ράβδου βορίου (99,9999%) σε γραφένιο υπομονοστοιβάδας σε Ag (400) που θερμάνθηκε στους 500-111 °C. Το ρεύμα του νήματος ήταν ~1.5 A και η τάση επιτάχυνσης ήταν 1.75 kV, που δίνει ρεύμα εκπομπής ~34 mA και ροή βορίου ~10 nA. Η πίεση στον θάλαμο κατά την ανάπτυξη του βοροφαινίου ήταν περίπου 2 x 10-10 millibar.
Αποτελέσματα της μελέτης
Εικόνα #1
Στην εικόνα 1А απεικονίζεται STM* ένα στιγμιότυπο του αναπτυγμένου γραφενίου, όπου οι τομείς γραφενίου οπτικοποιούνται καλύτερα χρησιμοποιώντας έναν χάρτη dI/dV (1V), όπου I и V είναι το ρεύμα σήραγγας και η μετατόπιση του δείγματος, και d — πυκνότητα.
STM* — μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας.
dI/dV Οι χάρτες του δείγματος μας επέτρεψαν να δούμε υψηλότερη τοπική πυκνότητα καταστάσεων γραφενίου σε σύγκριση με το υπόστρωμα Ag(111). Σύμφωνα με προηγούμενες μελέτες, η επιφανειακή κατάσταση του Ag (111) έχει ένα χαρακτηριστικό βήμα, που μετατοπίζεται προς θετικές ενέργειες από dI/dV φάσμα γραφενίου (1S), γεγονός που εξηγεί την υψηλότερη τοπική πυκνότητα των καταστάσεων του γραφενίου 1V στα 0.3 eV.
Στην εικόνα 1D μπορούμε να δούμε τη δομή του μονοστρωματικού γραφενίου, όπου το πλέγμα της κηρήθρας και υπερκατασκευή moiré*.
Εποικοδόμημα* - ένα χαρακτηριστικό της δομής μιας κρυσταλλικής ένωσης που επαναλαμβάνεται σε ένα ορισμένο διάστημα και έτσι δημιουργεί μια νέα δομή με διαφορετική περίοδο εναλλαγής.
Μουαρέ* - υπέρθεση δύο περιοδικών σχεδίων πλέγματος το ένα πάνω στο άλλο.
Σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, η ανάπτυξη οδηγεί στο σχηματισμό δενδριτικών και ελαττωματικών περιοχών γραφενίου. Λόγω των ασθενών αλληλεπιδράσεων μεταξύ του γραφενίου και του υποκείμενου υποστρώματος, η περιστροφική ευθυγράμμιση του γραφενίου σε σχέση με το υποκείμενο Ag(111) δεν είναι μοναδική.
Μετά την εναπόθεση βορίου, μικροσκοπία σάρωσης σήραγγας (1Ε) έδειξε την παρουσία ενός συνδυασμού περιοχών βοροφαινίου και γραφενίου. Επίσης ορατές στην εικόνα είναι περιοχές μέσα στο γραφένιο, οι οποίες αργότερα αναγνωρίστηκαν ως γραφένιο που παρεμβάλλεται με βοροφένιο (που υποδεικνύεται στην εικόνα Gr/B). Γραμμικά στοιχεία προσανατολισμένα σε τρεις κατευθύνσεις και διαχωρισμένα με γωνία 120° είναι επίσης ευδιάκριτα σε αυτήν την περιοχή (κίτρινα βέλη).
Εικόνα #2
Φωτογραφία ενεργοποιημένη 2АΩς 1Ε, επιβεβαιώνουν την εμφάνιση εντοπισμένων σκοτεινών κοιλοτήτων στο γραφένιο μετά από εναπόθεση βορίου.
Προκειμένου να εξεταστούν καλύτερα αυτοί οι σχηματισμοί και να διαπιστωθεί η προέλευσή τους, τραβήχτηκε μια άλλη φωτογραφία της ίδιας περιοχής, αλλά χρησιμοποιώντας χάρτες |dlnI/dz| (2Β), όπου I — ρεύμα σήραγγας, d είναι η πυκνότητα, και z — διαχωρισμός ανιχνευτή-δείγματος (το διάκενο μεταξύ της βελόνας του μικροσκοπίου και του δείγματος). Η χρήση αυτής της τεχνικής καθιστά δυνατή τη λήψη εικόνων με υψηλή χωρική ανάλυση. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε CO ή H2 στη βελόνα του μικροσκοπίου για αυτό.
Изображение 2S είναι μια εικόνα που λαμβάνεται χρησιμοποιώντας ένα STM του οποίου η άκρη ήταν επικαλυμμένη με CO. Σύγκριση εικόνων А, В и С δείχνει ότι όλα τα ατομικά στοιχεία ορίζονται ως τρία γειτονικά φωτεινά εξάγωνα που κατευθύνονται σε δύο μη ισοδύναμες κατευθύνσεις (κόκκινα και κίτρινα τρίγωνα στις φωτογραφίες).
Μεγεθυμένες εικόνες αυτής της περιοχής (2D) επιβεβαιώστε ότι αυτά τα στοιχεία συμφωνούν με προσμίξεις βορίου, που καταλαμβάνουν δύο υποπλέγματα γραφενίου, όπως υποδεικνύεται από τις επάλληλες δομές.
Η επίστρωση CO της βελόνας του μικροσκοπίου επέτρεψε την αποκάλυψη της γεωμετρικής δομής του φύλλου βοροφαινίου (2Ε), κάτι που θα ήταν αδύνατο αν η βελόνα ήταν στάνταρ (μεταλλική) χωρίς επίστρωση CO.
Εικόνα #3
Σχηματισμός πλευρικών ετεροδιεπαφών μεταξύ βοροφενίου και γραφενίου (3А) θα πρέπει να συμβεί όταν το βοροφένιο αναπτύσσεται δίπλα σε τομείς γραφενίου που περιέχουν ήδη βόριο.
Οι επιστήμονες υπενθυμίζουν ότι οι πλευρικές ετεροδιεπαφές που βασίζονται σε γραφένιο-hBN (γραφένιο + νιτρίδιο βορίου) έχουν συνοχή πλέγματος και οι ετεροσυνδέσεις που βασίζονται σε διχαλκογονίδια μετάλλων μεταπτώσεως έχουν συνέπεια συμμετρίας. Στην περίπτωση του γραφενίου/βοροφαινίου, η κατάσταση είναι ελαφρώς διαφορετική - έχουν ελάχιστη δομική ομοιότητα όσον αφορά τις σταθερές του πλέγματος ή τη συμμετρία των κρυστάλλων. Ωστόσο, παρόλα αυτά, η πλευρική ετεροδιεπαφή γραφενίου/βοροφαινίου επιδεικνύει σχεδόν τέλεια ατομική συνοχή, με τις κατευθύνσεις της σειράς βορίου (Β-σειρά) να ευθυγραμμίζονται με τις κατευθύνσεις ζιγκ-ζαγκ (ZZ) του γραφενίου (3А). Επί 3V εμφανίζεται μια μεγεθυμένη εικόνα της περιοχής ZZ της ετεροδιεπαφής (οι μπλε γραμμές υποδεικνύουν στοιχεία διεπιφανείας που αντιστοιχούν σε ομοιοπολικούς δεσμούς βορίου-άνθρακα).
Δεδομένου ότι το βοροφένιο αναπτύσσεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία σε σύγκριση με το γραφένιο, οι άκρες της περιοχής γραφενίου είναι απίθανο να έχουν υψηλή κινητικότητα όταν σχηματίζουν μια ετεροδιεπαφή με το βοροφένιο. Επομένως, η σχεδόν ατομικά ακριβής ετεροδιεπαφή είναι πιθανότατα αποτέλεσμα διαφορετικών διαμορφώσεων και χαρακτηριστικών δεσμών βορίου πολλαπλών θέσεων. Φάσματα φασματοσκοπίας σάρωσης σήραγγας (3S) και διαφορική αγωγιμότητα σήραγγας (3D) δείχνουν ότι η ηλεκτρονική μετάβαση από το γραφένιο στο βοροφένιο συμβαίνει σε απόσταση ~5 Å χωρίς ορατές καταστάσεις διεπαφής.
Στην εικόνα 3Ε Εμφανίζονται τρία φάσματα φασματοσκοπίας σήραγγας σάρωσης που λαμβάνονται κατά μήκος των τριών διακεκομμένων γραμμών σε 3D, τα οποία επιβεβαιώνουν ότι αυτή η σύντομη ηλεκτρονική μετάβαση δεν είναι ευαίσθητη στις τοπικές δομές διεπαφής και είναι συγκρίσιμη με εκείνη στις διεπαφές βοροφαινίου-αργύρου.
Εικόνα #4
Γραφένιο παρένθεση* έχει επίσης μελετηθεί ευρέως στο παρελθόν, αλλά η μετατροπή των παρεμβαλλόμενων σε αληθινά φύλλα 2D είναι σχετικά σπάνια.
Παρένθεση* - αναστρέψιμη συμπερίληψη ενός μορίου ή μιας ομάδας μορίων μεταξύ άλλων μορίων ή ομάδων μορίων.
Η μικρή ατομική ακτίνα του βορίου και η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ γραφενίου και Ag(111) υποδηλώνουν πιθανή παρεμβολή του γραφενίου με το βόριο. Στην εικόνα 4А Παρουσιάζονται στοιχεία όχι μόνο για παρεμβολή βορίου, αλλά και για το σχηματισμό κάθετων ετεροδομών βοροφαινίου-γραφενίου, ιδιαίτερα τριγωνικών περιοχών που περιβάλλονται από γραφένιο. Το πλέγμα κηρήθρας που παρατηρείται σε αυτό το τριγωνικό πεδίο επιβεβαιώνει την παρουσία γραφενίου. Ωστόσο, αυτό το γραφένιο εμφανίζει χαμηλότερη τοπική πυκνότητα καταστάσεων στα -50 meV σε σύγκριση με το περιβάλλον γραφένιο (4V). Σε σύγκριση με το γραφένιο απευθείας στο Ag(111), δεν υπάρχουν στοιχεία για υψηλή τοπική πυκνότητα καταστάσεων στο φάσμα dI/dV (4C, μπλε καμπύλη), που αντιστοιχεί στην επιφανειακή κατάσταση Ag(111), είναι η πρώτη ένδειξη παρεμβολής βορίου.
Επίσης, όπως αναμένεται για μερική παρεμβολή, το πλέγμα γραφενίου παραμένει συνεχές σε όλη την πλευρική διεπιφάνεια μεταξύ του γραφενίου και της τριγωνικής περιοχής (4D - αντιστοιχεί σε ορθογώνιο εμβαδόν 4А, κυκλωμένο με κόκκινη διακεκομμένη γραμμή). Μια εικόνα με χρήση CO σε βελόνα μικροσκοπίου επιβεβαίωσε επίσης την παρουσία ακαθαρσιών υποκατάστασης βορίου (4E - αντιστοιχεί σε ορθογώνιο εμβαδόν 4А, κυκλωμένο σε κίτρινη διακεκομμένη γραμμή).
Κατά την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν επίσης βελόνες μικροσκοπίου χωρίς καμία επικάλυψη. Σε αυτή την περίπτωση, σημάδια μονοδιάστατων γραμμικών στοιχείων με περιοδικότητα 5 Α αποκαλύφθηκαν στις παρεμβαλλόμενες περιοχές γραφενίου (4F и 4G). Αυτές οι μονοδιάστατες δομές μοιάζουν με τις σειρές βορίου στο μοντέλο βοροφαινίου. Εκτός από το σύνολο των σημείων που αντιστοιχούν στο γραφένιο, ο μετασχηματισμός Fourier της εικόνας σε 4G εμφανίζει ένα ζεύγος ορθογώνιων σημείων που αντιστοιχούν σε ένα ορθογώνιο πλέγμα 3 Å x 5 Å (4Η), το οποίο βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με το μοντέλο του βοροφαινίου. Επιπλέον, ο παρατηρούμενος τριπλός προσανατολισμός της διάταξης των γραμμικών στοιχείων (1Ε) συμφωνεί καλά με την ίδια κυρίαρχη δομή που παρατηρείται για τα φύλλα βοροφαινίου.
Όλες αυτές οι παρατηρήσεις υποδηλώνουν έντονα την παρεμβολή του γραφενίου από το βοροφένιο κοντά στις άκρες του Ag, που κατά συνέπεια οδηγεί στο σχηματισμό κάθετων ετεροδομών βοροφαινίου-γραφενίου, οι οποίες μπορούν να πραγματοποιηθούν επωφελώς αυξάνοντας την αρχική κάλυψη του γραφενίου.
4I είναι μια σχηματική αναπαράσταση μιας κάθετης ετεροδομής στο 4H, όπου η κατεύθυνση της σειράς βορίου (ροζ βέλος) είναι στενά ευθυγραμμισμένη με την κατεύθυνση ζιγκ-ζαγκ του γραφενίου (μαύρο βέλος), σχηματίζοντας έτσι μια περιστροφικά ανάλογη κάθετη ετεροδομή.
Για μια πιο λεπτομερή εξοικείωση με τις αποχρώσεις της μελέτης, συνιστώ να κοιτάξετε и σε αυτόν.
Επίλογος
Αυτή η μελέτη έδειξε ότι το βοροφένιο είναι αρκετά ικανό να σχηματίζει πλευρικές και κάθετες ετεροδομές με το γραφένιο. Τέτοια συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάπτυξη νέων τύπων δισδιάστατων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στη νανοτεχνολογία, εύκαμπτα και φορητά ηλεκτρονικά, καθώς και νέους τύπους ημιαγωγών.
Οι ίδιοι οι ερευνητές πιστεύουν ότι η ανάπτυξή τους θα μπορούσε να είναι μια ισχυρή ώθηση για τεχνολογίες που σχετίζονται με τα ηλεκτρονικά. Ωστόσο, είναι ακόμα δύσκολο να πούμε με βεβαιότητα ότι τα λόγια τους θα γίνουν προφητικά. Αυτή τη στιγμή, υπάρχουν ακόμη πολλά που πρέπει να ερευνηθούν, να κατανοηθούν και να εφευρεθούν, ώστε αυτές οι ιδέες επιστημονικής φαντασίας που γεμίζουν το μυαλό των επιστημόνων να γίνουν μια πλήρης πραγματικότητα.
Ευχαριστώ για την ανάγνωση, μείνετε περίεργοι και καλή εβδομάδα παιδιά. 🙂
Σας ευχαριστούμε που μείνατε μαζί μας. Σας αρέσουν τα άρθρα μας; Θέλετε να δείτε πιο ενδιαφέρον περιεχόμενο; Υποστηρίξτε μας κάνοντας μια παραγγελία ή προτείνοντας σε φίλους, Έκπτωση 30% για χρήστες Habr σε ένα μοναδικό ανάλογο διακομιστών εισαγωγικού επιπέδου, που εφευρέθηκε από εμάς για εσάς: (διατίθεται με RAID1 και RAID10, έως 24 πυρήνες και έως 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 φορές φθηνότερο; Μόνο εδώ στην Ολλανδία! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - από 99$! Διαβάστε σχετικά
Πηγή: www.habr.com