«La mutación es la clave para desentrañar el misterio de la evolución. El camino del desarrollo desde el organismo más simple hasta la especie biológica dominante dura milenios. Pero cada cientos de miles de años en la evolución ocurre un salto brusco hacia adelante» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Si dejamos de lado todos los elementos de ciencia ficción presentes en los cómics y películas, las palabras del profesor X son bastante ciertas. El desarrollo de cualquier cosa progresa de manera uniforme la mayor parte del tiempo, pero a veces surgen saltos que tienen un enorme impacto en todo el proceso. Esto es aplicable no solo a la evolución de las especies, sino también a la evolución de las tecnologías, cuyo principal motor son las personas, sus investigaciones e invenciones. Hoy nos familiarizaremos con un estudio que, según sus autores, representa un verdadero salto evolutivo en nanotecnología. ¿Cómo lograron los científicos de la Universidad del Noroeste (EE.UU.) crear una nueva heteroestructura bidimensional, por qué se eligieron el grafeno y el borofeno como base, y qué propiedades puede tener un sistema así? De esto nos hablará el informe del grupo de investigación. ¡Vamos allá!
Base de la investigación
El término «grafeno» lo hemos oído muchas veces: es una modificación bidimensional del carbono, compuesta por una capa de átomos de carbono de 1 átomo de grosor. Pero el «borofeno» se encuentra extremadamente raro. Este término se refiere a un cristal bidimensional compuesto exclusivamente de átomos de boro (B). La posibilidad de la existencia del borofeno fue predicha por primera vez a mediados de los años 90, pero obtener esta estructura en la práctica solo fue posible en 2015.
La estructura atómica del borofeno consta de elementos triangulares y hexagonales y es consecuencia de la interacción entre enlaces intraplano de dos centros y múltiples centros, lo cual es muy característico de elementos con déficit de electrones, como es el caso del boro.
*Por enlaces de dos centros y múltiples centros se entienden los enlaces químicos: las interacciones entre átomos que caracterizan la estabilidad de una molécula o cristal como una única estructura. Por ejemplo, un enlace de dos centros y dos electrones ocurre cuando 2 átomos comparten 2 electrones entre sí, y un enlace de dos centros y tres electrones ocurre entre 2 átomos y 3 electrones, etc.
Desde un punto de vista físico, el borofeno podría ser más resistente y flexible en comparación con el grafeno. También se considera que las estructuras de borofeno pueden ser un complemento eficaz para baterías, ya que el borofeno cuenta con una alta capacidad específica y propiedades únicas de conductividad electrónica y transporte de iones. Sin embargo, por ahora, esto es solo una teoría.
Siendo un elemento trivalente*, el boro tiene al menos 10 alotrópos*. En la forma bidimensional, también se observa un polimorfismo* .
El elemento trivalente* puede formar tres enlaces covalentes, cuya valencia es igual a tres.
La alotropía* es cuando un elemento químico puede estar presente en forma de dos o más sustancias simples. Por ejemplo, el carbono - diamante, grafeno, grafito, nanotubos de carbono, etc.
El polimorfismo* es la capacidad de una sustancia para existir en diferentes estructuras cristalinas (modificaciones polimórficas). En el caso de sustancias simples, este término es sinónimo de alotropía.
Dada esta amplia variedad de polimorfismo, surge la suposición de que el borofeno puede convertirse en un excelente candidato para la creación de nuevas heteroestructuras bidimensionales, ya que las diferentes configuraciones de enlaces de boro deberían aliviar los requisitos de ajuste de la red cristalina. Desafortunadamente, este tema se ha investigado anteriormente exclusivamente a nivel teórico debido a las dificultades en la síntesis.
Para los materiales 2D convencionales obtenidos de cristales laminares voluminosos, las heteroestructuras verticales pueden realizarse mediante apilamiento mecánico. Por otro lado, las heteroestructuras laterales bidimensionales se basan en la síntesis ascendente. Las heteroestructuras laterales atómicamente precisas tienen un gran potencial para resolver problemas en el control de las capacidades funcionales del heterotransfer, sin embargo, debido a la unión covalente, un desajuste imperfecto de la red generalmente resulta en interfaces anchas y desordenadas. Por lo tanto, hay potencial, pero también problemas en su implementación.
En este trabajo, los investigadores lograron integrar borofeno y grafeno en una sola heteroestructura bidimensional. A pesar de la discrepancia en las redes cristalográficas y la simetría entre borofeno y grafeno, la deposición secuencial de carbono y boro sobre un sustrato de Ag(111) en ultraalto vacío (UHV) da lugar a heterointerfaces laterales casi atómicamente precisas con alineaciones de red previstas, así como a heterointerfaces verticales.
Preparación para el estudio
Antes de estudiar la heteroestructura, era necesario fabricarla. El crecimiento de grafeno y borofeno se realizó en una cámara de ultraalto vacío con una presión de 1x10-10 milibares.
El sustrato monocrystalino de Ag(111) se limpió mediante ciclos repetidos de pulverización de Ar+(1 x 10-5 milibares, energía 800 eV, 30 minutos) y recocido térmico (550 °C, 45 minutos) hasta obtener una superficie de Ag(111) atómicamente limpia y plana.
El crecimiento de grafeno se llevó a cabo mediante la evaporación por haz electrónico de una varilla de grafito puro (99,997%) de 2.0 mm de diámetro sobre un sustrato de Ag (111) calentado a 750 °C con una corriente de filamento de ~ 1.6 A y un voltaje acelerador de ~ 2 kV, lo que da lugar a una corriente de emisión de ~ 70 mA y un flujo de carbono de ~ 40 nA. La presión en la cámara era de 1 x 10-9 milibares.
El crecimiento de borofeno se realizó mediante la evaporación por haz electrónico de una varilla de boro puro (99,9999%) sobre un grafeno submonocapa calentado a 400-500 °C en Ag (111). La corriente de filamento fue de ~ 1.5 A y el voltaje acelerador de 1.75 kV, lo que da lugar a una corriente de emisión de ~ 34 mA y un flujo de boro de ~ 10 nA. La presión en la cámara durante el crecimiento de borofeno fue de aproximadamente 2 x 10-10 milibares.
Resultados de la investigación
Imagen No. 1
En la imagen 1A un indicador del nivel de seguridad de la conexión, que permitirá evaluar el estado de los modos de bloqueo de código para rastrear movimientos. El color del símbolo del candado para HTTPS se cambiará de verde a gris (se podrá volver al color verde mediante la configuración security.secure_connection_icon_color_gray). STM* imagen del grafeno cultivado, donde los dominios de grafeno se visualizan mejor con un mapa dI/dV (1B), donde I y V — corriente de túnel y desplazamiento de la muestra, y d — densidad.
STM* — microscopio de túnel de barrido.
dI/dV Los mapas de la muestra permitieron observar una mayor densidad local de estados en el grafeno en comparación con el sustrato Ag (111). De acuerdo con investigaciones anteriores, el estado superficial de Ag (111) presenta un carácter escalonado, desplazado hacia energías positivas en dI/dV el espectro del grafeno (1C), lo que explica la mayor densidad local de estados en el grafeno en 1B a 0.3 eV.
En la imagen 1D Podemos ver la estructura del grafeno monocapa, donde se distingue claramente la red celular y la superestructura de moiré*.
Superestructura* — una característica de la estructura de un compuesto cristalino que se repite a intervalos específicos y crea así una nueva estructura con un período de alternancia diferente.
Moaré* — la superposición de dos patrones de red periódicos entre sí.
A temperaturas más bajas, el crecimiento da lugar a la formación de dominios dendríticos y defectuosos de grafeno. Debido a las débiles interacciones entre el grafeno y el sustrato subyacente, la alineación rotacional del grafeno respecto al Ag (111) subyacente no es única.
Después de la deposición de boro, la microscopía de túnel de barrido (1E) mostró la presencia de dominios de borofeno y grafeno. También se pueden ver en la imagen áreas dentro del grafeno que posteriormente se definieron como grafeno intercalado con borofeno (marcado en la imagen Gr/B). En esta área también son claramente visibles elementos lineales orientados en tres direcciones y separados por un ángulo de 120 ° (flechas amarillas).
Imagen Nº 2
La imagen en 2A, al igual que 1E, confirma la aparición de depresiones localizadas (hundimientos) en el grafeno tras la deposición de boro.
Para observar mejor estas formaciones y esclarecer su origen, se tomó otra imagen de la misma área, pero utilizando un mapa |dlnI/dz| (2В), где I — corriente de túnel, d — densidad, y z — separación sonda-muestra (espacio entre la punta del microscopio y la muestra). La aplicación de esta metodología permite obtener imágenes con una resolución espacial mayor. También se puede utilizar CO o H2 en la punta del microscopio.
Imagen 2C es una imagen obtenida con STM, cuya punta estaba recubierta de CO. La comparación de las imágenes A, En y Con muestra que todos los elementos atómicos se definen como tres hexágonos adyacentes, orientados en dos direcciones no equivalentes (triángulos rojos y amarillos en las imágenes).
Las imágenes ampliadas de esta área (2D) confirman que estos elementos están en correspondencia con las impurezas de dopaje de boro, ocupando dos subredes de grafeno, lo que también es indicado por las estructuras superpuestas.
El recubrimiento de CO en la punta del microscopio permitió revelar la estructura geométrica de la hoja de borofeno (2E), lo que sería imposible si la punta fuera estándar (metálica) sin recubrimiento de CO.
Imagen Nº 3
La formación de heterointerfaces laterales entre borofeno y grafeno (3A) debería ocurrir cuando el borofeno crece junto a dominios de grafeno donde ya hay boro.
Los científicos recuerdan que las heterointerfaces laterales basadas en grafeno-hBN (grafeno + nitruro de boro) tienen una coherencia en sus redes, mientras que las heterotransiciones basadas en disulfuros de metales de transición presentan coherencia en sus simetrías. En el caso del grafeno/borofeno, la situación es un poco diferente: tienen un mínimo de similitud estructural en términos de constantes de red o simetría cristalina. Sin embargo, a pesar de esto, la heterointerface lateral grafeno/borofeno demuestra una coherencia atómica prácticamente ideal, donde las direcciones de la fila de boro (B-row) se alinean con las direcciones zigzagueantes (ZZ) del grafeno (3A). En 3D se muestra una imagen ampliada de la región ZZ de la heterointerface (con las líneas azules indicando los elementos interfaciales correspondientes a los enlaces covalentes boro-carbono).
Dado que el crecimiento del borofeno se realiza a una temperatura más baja en comparación con el grafeno, los bordes del dominio de grafeno probablemente no tendrán alta movilidad al formar una heterointerface con el borofeno. Por lo tanto, una heterointerface casi atómicamente precisa probablemente sea el resultado de diversas configuraciones y características de los enlaces multicéntricos de boro. Los espectros de espectroscopía de tunelamiento (3C) y conductividad de tunelamiento diferencial (3D) muestran que la transición electrónica del grafeno al borofeno ocurre a una distancia de ~ 5 Å sin estados visibles de la interfaz.
En la imagen 3E se presentan tres espectros de espectroscopía de tunelamiento, realizados a lo largo de tres líneas punteadas en 3D, que confirman que esta corta transición electrónica es insensible a las estructuras interfaciales locales y es comparable a la similar en las fronteras entre borofeno y plata.
Imagen número 4
Intercalación de grafeno* también se ha investigado ampliamente, sin embargo, la transformación de intercalantes en verdaderas hojas 2D es un fenómeno relativamente raro. Intercalación*
es la inclusión reversible de una molécula o grupo de moléculas entre otras moléculas o grupos de moléculas. El pequeño radio atómico del boro y la débil interacción entre el grafeno y Ag (111) sugieren una posible intercalación del grafeno con boro. En la imagen
El pequeño radio atómico del boro y la débil interacción entre el grafeno y Ag (111) sugieren la posible intercalación del grafeno con boro. En la imagen 4A Se presenta evidencia no solo de la intercalación de boro, sino también de la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grapheno, especialmente de dominios triangulares rodeados de grafeno. La red celular observada en este dominio triangular confirma la presencia de grafeno. Sin embargo, este grafeno muestra una densidad de estados local más baja a -50 meV en comparación con el grafeno circundante.4B. En comparación con el grafeno directamente en Ag (111), la falta de signos de alta densidad de estados local en el espectro dI/dV (4C, la curva azul), correspondiente al estado superficial de Ag (111), es la primera evidencia de la intercalación de boro.
Asimismo, como era de esperar para la intercalación parcial, la red de grafeno permanece continua a lo largo de la interfaz lateral entre el grafeno y la región triangular (4D – corresponde al área rectangular en 4A, delineada con una línea punteada roja). La imagen obtenida utilizando AFM también confirmó la presencia de impurezas de boro sustitucionales (4E – corresponde al área rectangular en 4A, delineada con una línea punteada amarilla).
Durante el análisis, también se utilizaron puntas de microscopio sin ningún recubrimiento. En tal caso, se detectaron signos de elementos lineales unidimensionales con una periodicidad de 5 Å (4F y 4G). Estas estructuras unidimensionales recuerdan a las filas de boro en el modelo de borofeno. Además de un conjunto de puntos correspondientes al grafeno, la transformación de Fourier de la imagen en 4G muestra un par de puntos ortogonales, correspondientes a una red rectangular de 3 Å x 5 Å (4H), que coincide perfectamente con el modelo de borofeno. También, la observada triple orientación de la red de elementos lineales (1E) concuerda bien con la misma estructura predominante observada para las capas de borofeno.
Todas estas observaciones evidencian de manera convincente la intercalación del grafeno por el borofeno cerca de los bordes de Ag, lo que, por lo tanto, lleva a la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, que pueden ser principalmente realizadas aumentando la cobertura inicial de grafeno.
4I es una representación esquemática de la heteroestructura vertical en 4H, donde la dirección de la fila de boro (flecha rosa) se alinea estrechamente con la dirección zigzagueante del grafeno (flecha negra), formando así una heteroestructura vertical rotacionalmente isométrica.
Para un conocimiento más detallado de las sutilezas de la investigación, recomiendo echar un vistazo a y a ello.
Epílogo
Este estudio ha demostrado que el borofeno es capaz de formar heteroestructuras laterales y verticales con grafeno. Estos sistemas podrían ser utilizados en el desarrollo de nuevos tipos de elementos bidimensionales aplicados en nanotecnología, electrónica flexible y portátil, así como en nuevos tipos de semiconductores.
Los propios investigadores creen que su desarrollo podría ser un impulso significativo para las tecnologías relacionadas con la electrónica. Sin embargo, es difícil decir con certeza que sus palabras se volverán proféticas. Por el momento, todavía queda mucho por investigar, comprender e inventar para que esas ideas de ciencia ficción que llenan las mentes de los científicos se conviertan en una realidad completa.
Gracias por su atención, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos. 🙂
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Fuente: habr.com
