"Mutacio estas la ŝlosilo por malimpliki la misteron de evoluado. La vojo de evoluo de la plej simpla organismo ĝis la domina biologia specio daŭras milojn da jaroj. Sed ĉiuj cent mil jaroj estas akra salto antaŭen en evoluo" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se ni forĵetas ĉiujn sciencfikciajn elementojn ĉeestantajn en komiksoj kaj filmoj, tiam la vortoj de Profesoro X estas tute veraj. La evoluo de io okazas egale plejofte, sed foje estas saltoj, kiuj havas grandegan efikon sur la tuta procezo. Ĉi tio validas ne nur por la evoluo de specioj, sed ankaŭ por la evoluo de teknologio, kies ĉefa ŝoforo estas homoj, iliaj esploroj kaj inventoj. Hodiaŭ ni konatiĝos kun studo kiu, laŭ ĝiaj aŭtoroj, estas vera evolua salto en nanoteknologio. Kiel sciencistoj de Northwestern University (Usono) sukcesis krei novan dudimensian heterostrukturon, kial oni elektis grafenon kaj borofenon kiel bazon, kaj kiajn trajtojn povus havi tia sistemo? La raporto de la esplorgrupo rakontos al ni pri tio. Iru.
Esplorbazo
Ni aŭdis la esprimon "grafeno" multfoje; ĝi estas dudimensia modifo de karbono, konsistanta el tavolo de karbonatomoj dika 1 atomo. Sed "borofen" estas ege malofta. Ĉi tiu termino rilatas al dudimensia kristalo konsistanta sole el boro (B) atomoj. La ebleco de ekzisto de borofeno unue estis antaŭvidita meze de la 90-aj jaroj, sed praktike ĉi tiu strukturo estis akirita nur antaŭ 2015.
La atoma strukturo de borofeno konsistas el triangulaj kaj sesangulaj elementoj kaj estas sekvo de la interagado inter du-centraj kaj plurcentraj en-ebenaj ligoj, kio estas tre tipa por elektron-mankaj elementoj, kiuj inkludas boron.
*Per ducentraj kaj plurcentraj ligoj ni signifas kemiajn ligojn - interagojn de atomoj kiuj karakterizas la stabilecon de molekulo aŭ kristalo kiel ununura strukturo. Ekzemple, du-centra du-elektrona ligo okazas kiam 2 atomoj dividas 2 elektronojn, kaj du-centra tri-elektrona ligo okazas kiam 2 atomoj kaj 3 elektronoj, ktp.
De fizika vidpunkto, borofeno povas esti pli forta kaj pli fleksebla ol grafeno. Estas ankaŭ kredite ke borofenaj strukturoj povus esti efika komplemento por baterioj ĉar borofeno havas altan specifan kapaciton kaj unikajn elektronikan konduktivecon kaj jontransportpropraĵojn. Tamen, nuntempe ĉi tio estas nur teorio.
Esti trivalenta elemento*, boro havas almenaŭ 10 alotropoj*. En dudimensia formo, simila polimorfismo* estas ankaŭ observita.
Trivalenta elemento* kapabla formi tri kovalentajn ligojn, kies valento estas tri.
Alotropio* - kiam unu kemia elemento povas esti prezentita en formo de du aŭ pli da simplaj substancoj. Ekzemple, karbono - diamanto, grafeno, grafito, karbonaj nanotuboj ktp.
Polimorfismo* - la kapablo de substanco ekzisti en malsamaj kristalaj strukturoj (polimorfaj modifoj). En la kazo de simplaj substancoj, ĉi tiu termino estas sinonima de alotropio.
Surbaze de tiu larĝa polimorfismo, estas sugestite ke borofeno povas esti bonega kandidato por kreado de novaj dudimensiaj heterostrukturoj, ĉar malsamaj borligaj konfiguracioj devus malstreĉi la kradkongruajn postulojn. Bedaŭrinde, ĉi tiu afero antaŭe estis studita ekskluzive sur la teoria nivelo pro malfacilaĵoj en sintezo.
Por konvenciaj 2D materialoj akiritaj de grocaj tavoligitaj kristaloj, vertikalaj heterostrukturoj povas esti realigitaj uzante mekanikan stakigon. Aliflanke, dudimensiaj lateralaj heterostrukturoj estas bazitaj sur desupra sintezo. Atome precizaj lateralaj heterostrukturoj havas grandan potencialon en solvado de heterojunkciaj funkciaj kontrolproblemoj, aliflanke, pro kovalenta ligado, neperfekta kradkongruo tipe rezultigas larĝajn kaj malordajn interfacojn. Tial, ekzistas potencialo, sed ankaŭ estas problemoj en realigi ĝin.
En ĉi tiu laboro, la esploristoj sukcesis integri borofenon kaj grafenon en unu dudimensia heterostrukturo. Malgraŭ la kristalografia krada miskongruo kaj simetrio inter borofeno kaj grafeno, sinsekva demetado de karbono kaj boro sur Ag(111) substrato sub ultra-alta vakuo (UHV) rezultigas preskaŭ atome precizajn lateralajn heterointerfacojn kun antaŭviditaj kradaj paraleligoj, same kiel vertikalaj heterointerfacoj. .
Studpreparo
Antaŭ studi la heterostrukturon, ĝi devis esti fabrikita. La kresko de grafeno kaj borofeno estis efektivigita en ultra-alta malplena ĉambro kun premo de 1x10-10 milibaroj.
La substrato de unukristala Ag(111) estis purigita per ripetaj cikloj de Ar+-ŝprucado (1 x 10-5 milibaroj, 800 eV, 30 minutoj) kaj termika kalcinado (550 °C, 45 minutoj) por akiri atompuran kaj platan Ag( 111) surfaco. .
Grafeno estis kreskigita per elektronradia vaporiĝo de pura (99,997%) grafita bastono kun diametro de 2.0 mm sur Ag (750) substrato varmigita ĝis 111 °C ĉe hejta kurento de ~ 1.6 A kaj akcela tensio de ~ 2 kV. , kiu donas emisiofluon de ~ 70 mA kaj karbonfluo ~ 40 nA. La premo en la ĉambro estis 1 x 10-9 milibaroj.
Borofeno estis kreskigita tra elektronradiovaporiĝo de pura (99,9999%) borbastono sur submonotavola grafeno sur Ag (400) varmigita ĝis 500-111 °C. La filamenta fluo estis ~1.5 A kaj la akcela tensio estis 1.75 kV, kiu donas emisiofluon de ~34 mA kaj borfluo de ~10 nA. La premo en la kamero dum la kresko de borofeno estis proksimume 2 x 10-10 milibaroj.
Esplorrezultoj
Bildo #1
Sur la bildo 1A montrita STM* momentfoto de kreskigita grafeno, kie la grafenaj domajnoj estas plej bone bildigitaj uzante mapon dI/dV (1B), kie I и V estas la tunela fluo kaj specimena delokiĝo, kaj d — denseco.
STM* — skananta tunela mikroskopo.
dI/dV mapoj de la specimeno permesis al ni vidi pli altan lokan densecon de statoj de grafeno kompare kun la Ag(111) substrato. Konforme al antaŭaj studoj, la surfaca stato de Ag (111) havas ŝtupan karakterizaĵon, ŝanĝitan al pozitivaj energioj per dI/dV spektro de grafeno (1С), kiu klarigas la pli altan lokan densecon de statoj de grafeno sur 1B je 0.3 eV.
Sur la bildo 1D ni povas vidi la strukturon de unu-tavola grafeno, kie la kahela krado kaj moire superkonstruaĵo*.
Superkonstruaĵo* - trajto de la strukturo de kristala kunmetaĵo, kiu ripetas je certa intervalo kaj tiel kreas novan strukturon kun malsama alterna periodo.
Moire* - supermeto de du periodaj maŝo-ŝablonoj unu super la alia.
Ĉe pli malaltaj temperaturoj, kresko kondukas al la formado de dendritaj kaj misaj grafenaj domajnoj. Pro malfortaj interagoj inter grafeno kaj la subesta substrato, la rotacia paraleligo de grafeno kun respekto al la subesta Ag(111) ne estas unika.
Post borodemetado, skananta tunelmikroskopio (1E) montris la ĉeeston de kombinaĵo de borofenaj kaj grafenaj domajnoj. Ankaŭ videblaj en la bildo estas regionoj ene de la grafeno, kiuj poste estis identigitaj kiel grafeno interkrucigita kun borofeno (indikita en la bildo. Gr/B). Liniaj elementoj orientitaj en tri direktoj kaj apartigitaj per angulo de 120° ankaŭ estas klare videblaj en ĉi tiu areo (flavaj sagoj).
Bildo #2
Foto sur 2Asiavice 1E, konfirmas la aperon de lokalizitaj malhelaj depresioj en grafeno post borodemetado.
Por pli bone ekzameni tiujn formaciojn kaj ekscii ilian originon, oni faris alian foton de la sama areo, sed uzante mapojn |dlnI/dz| (2B), kie I — tunela fluo, d estas la denseco, kaj z — sondo-specimeno apartigo (la interspaco inter la mikroskopa kudrilo kaj la specimeno). La uzo de ĉi tiu tekniko ebligas akiri bildojn kun alta spaca rezolucio. Vi ankaŭ povas uzi CO aŭ H2 sur la mikroskopa nadlo por tio.
Bildo Bildo 2С estas bildo akirita uzante STM kies pinto estis kovrita per CO. Komparo de bildoj А, В и С montras ke ĉiuj atomelementoj estas difinitaj kiel tri apudaj brilaj seslateroj direktitaj en du neekvivalentaj direktoj (ruĝaj kaj flavaj trianguloj en la fotoj).
Pligrandigitaj bildoj de ĉi tiu areo (2D) konfirmas, ke ĉi tiuj elementoj kongruas kun boro-dopantaj malpuraĵoj, okupante du grafenajn subkradojn, kiel indikas la supermetitaj strukturoj.
CO-tegaĵo de la mikroskopa kudrilo ebligis malkaŝi la geometrian strukturon de la borofena folio (2E), kio estus malebla se la kudrilo estus norma (metalo) sen CO-tegaĵo.
Bildo #3
Formado de lateralaj heterointerfacoj inter borofeno kaj grafeno (3A) devus okazi kiam borofeno kreskas apud grafenaj domajnoj kiuj jam enhavas boron.
Sciencistoj memorigas ke flankaj heterointerfacoj bazitaj sur grafeno-hBN (grafeno + boronitruro) havas kradkonsiston, kaj heterojunkcioj bazitaj sur transirmetalaj dikalkogenidoj havas simetrian konsistencon. En la kazo de grafeno/borofeno, la situacio estas iomete malsama - ili havas minimuman strukturan similecon laŭ kradaj konstantoj aŭ kristala simetrio. Tamen, malgraŭ tio, la laterala grafeno/borofena heterointerfaco montras preskaŭ perfektan atoman konsistencon, kun la borvicaj (B-vico) indikoj vicigitaj kun la zigzagaj (ZZ) indikoj de grafeno (3A). On 3B pligrandigita bildo de la ZZ-regiono de la heterointerfaco estas montrita (bluaj linioj indikas intervizaĝajn elementojn egalrilatantajn al boro-karbonaj kovalentaj obligacioj).
Ĉar borofeno kreskas ĉe pli malalta temperaturo kompare kun grafeno, la randoj de la grafena domajno verŝajne ne havas altan moviĝeblon dum formado de heterointerfaco kun borofeno. Tial, la preskaŭ atome preciza heterointerfaco estas verŝajne rezulto de malsamaj konfiguracioj kaj karakterizaĵoj de multiejaj borligoj. Skanado de tunelaj spektroskopiospektroj (3С) kaj diferenciga tunela kondukteco (3D) montras ke la elektronika transiro de grafeno al borofeno okazas tra distanco de ~5 Å kun neniuj videblaj interfacŝtatoj.
Sur la bildo 3E Montriĝas tri skanaj tunelaj spektroskopiospektroj prenitaj laŭ la tri strekitaj linioj en 3D, kiuj konfirmas ke tiu mallonga elektronika transiro estas nesentema al lokaj intervizaĝaj strukturoj kaj estas komparebla al tio ĉe borofen-arĝentaj interfacoj.
Bildo #4
Grafeno interkruciĝo* ankaŭ antaŭe estis vaste studita, sed la konvertiĝo de interkalantoj en verajn 2D foliojn estas relative malofta.
Interkalado* - reigebla inkludo de molekulo aŭ grupo de molekuloj inter aliaj molekuloj aŭ grupoj de molekuloj.
La malgranda atomradiuso de boro kaj la malforta interagado inter grafeno kaj Ag(111) sugestas eblan interkalon de grafeno kun boro. En la bildo 4A indico estas prezentita ne nur de borinterkalado, sed ankaŭ de la formado de vertikalaj borofen-grafene heterostrukturoj, precipe triangulaj domajnoj ĉirkaŭitaj de grafeno. La kahela krado observita sur tiu triangula domajno konfirmas la ĉeeston de grafeno. Tamen, ĉi tiu grafeno elmontras pli malaltan lokan densecon de ŝtatoj je -50 meV kompare kun ĉirkaŭa grafeno (4B). Kompare kun grafeno rekte sur Ag(111), ekzistas neniuj signoj de alta loka denseco de ŝtatoj en la spektro. dI/dV (4C, blua kurbo), egalrilatanta al la Ag(111) surfaca stato, estas la unua signo de borinterkalado.
Ankaŭ, kiel atendite por parta interkalado, la grafena krado restas kontinua ĉie en la flanka interfaco inter la grafeno kaj la triangula regiono (4D - respondas al rektangula areo sur 4A, rondita en ruĝa punktlinio). Bildo uzanta CO sur mikroskopa pinglo ankaŭ konfirmis la ĉeeston de boranstataŭaj malpuraĵoj (4E - respondas al rektangula areo sur 4A, rondita en flava punktlinio).
Mikroskoppingloj sen iu ajn tegaĵo ankaŭ estis uzitaj dum la analizo. En ĉi tiu kazo, signoj de unudimensiaj liniaj elementoj kun periodeco de 5 Å estis rivelitaj en la interkalitaj grafenaj domajnoj (4F и 4G). Tiuj unudimensiaj strukturoj similas la borvicojn en la borofenmodelo. Krom la aro de punktoj respondaj al grafeno, la transformo de Fourier de la bildo en 4G montras paron da ortaj punktoj egalrilatantaj al rektangula krado 3 Å x 5 Å (4H), kiu estas en bonega interkonsento kun la borofena modelo. Krome, la observita triobla orientiĝo de la aro de liniaj elementoj (1E) konsentas bone kun la sama superrega strukturo observita por borofenaj folioj.
Ĉiuj ĉi tiuj observaĵoj forte sugestas la interkaladon de grafeno de borofeno proksime de la randoj de Ag, kiu sekve kondukas al la formado de vertikalaj borofen-grafenheterostrukturoj, kiuj povas esti avantaĝe realigitaj pliigante la komencan priraportadon de grafeno.
4I estas skema prezento de vertikala heterostrukturo sur 4H, kie la direkto de la borvico (rozkolora sago) estas proksime vicigita kun la zigzaga direkto de grafeno (nigra sago), tiel formante rotacie proporcian vertikalan heterostrukturon.
Por pli detala konatiĝo kun la nuancoj de la studo, mi rekomendas rigardi и al li.
Epilogo
Ĉi tiu studo montris, ke borofeno sufiĉe kapablas formi flankajn kaj vertikalajn heterostrukturojn kun grafeno. Tiaj sistemoj povas esti uzitaj en la evoluo de novaj specoj de dudimensiaj elementoj uzitaj en nanoteknologio, fleksebla kaj portebla elektroniko, same kiel novaj specoj de duonkonduktaĵoj.
La esploristoj mem opinias, ke ilia evoluo povus esti potenca antaŭenpuŝo por elektronikaj teknologioj. Tamen, estas ankoraŭ malfacile diri certe, ke iliaj vortoj fariĝos profetaj. Nuntempe ankoraŭ estas multo esplorenda, komprenebla kaj inventenda, por ke tiuj sciencfikciaj ideoj, kiuj plenigas la mensojn de sciencistoj, fariĝu plenrajta realaĵo.
Dankon pro legado, restu scivolemaj kaj havu bonegan semajnon uloj. 🙂
Dankon pro restado ĉe ni. Ĉu vi ŝatas niajn artikolojn? Ĉu vi volas vidi pli interesan enhavon? Subtenu nin farante mendon aŭ rekomendante al amikoj, 30% rabato por uzantoj de Habr sur unika analogo de enirnivelaj serviloj, kiu estis inventita de ni por vi: (havebla kun RAID1 kaj RAID10, ĝis 24 kernoj kaj ĝis 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 fojojn pli malmultekosta? Nur ĉi tie en Nederlando! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - ekde $99! Legu pri
fonto: www.habr.com