“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 miles de años. Pero cada cien mil años se produce un gran salto en la evolución" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Si descartamos todos los elementos de ciencia ficción presentes en los cómics y las películas, entonces las palabras del Profesor X son bastante ciertas. El desarrollo de algo se desarrolla de manera uniforme la mayor parte del tiempo, pero a veces se producen saltos que tienen un gran impacto en todo el proceso. Esto se aplica no sólo a la evolución de las especies, sino también a la evolución de la tecnología, cuyo principal motor son las personas, sus investigaciones e invenciones. Hoy conoceremos un estudio que, según sus autores, supone un auténtico salto evolutivo en la nanotecnología. ¿Cómo lograron los científicos de la Universidad Northwestern (EE. UU.) crear una nueva heteroestructura bidimensional, por qué se eligieron el grafeno y el borofeno como base y qué propiedades podría tener dicho sistema? El informe del grupo de investigación nos informará sobre esto. Ir.
Base de investigación
Hemos escuchado muchas veces el término “grafeno”, es una modificación bidimensional del carbono, formada por una capa de átomos de carbono de 1 átomo de espesor. Pero el "borofeno" es extremadamente raro. Este término se refiere a un cristal bidimensional que consta únicamente de átomos de boro (B). La posibilidad de la existencia de borofeno se predijo por primera vez a mediados de los años 90, pero en la práctica esta estructura no se obtuvo hasta 2015.
La estructura atómica del borofeno consta de elementos triangulares y hexagonales y es consecuencia de la interacción entre enlaces bicéntricos y multicéntricos en el plano, lo cual es muy típico de los elementos deficientes en electrones, entre los que se encuentra el boro.
*Por enlaces de dos centros y multicéntricos nos referimos a enlaces químicos: interacciones de átomos que caracterizan la estabilidad de una molécula o cristal como una estructura única. Por ejemplo, un enlace de dos centros y dos electrones se produce cuando 2 átomos comparten 2 electrones, y un enlace de dos centros y tres electrones se produce cuando 2 átomos y 3 electrones, etc.
Desde un punto de vista físico, el borofeno puede ser más fuerte y flexible que el grafeno. También se cree que las estructuras de borofeno podrían ser un complemento eficaz para las baterías porque el borofeno tiene una alta capacidad específica y propiedades únicas de conductividad electrónica y transporte de iones. Sin embargo, por el momento esto es sólo una teoría.
Ser elemento trivalente*, el boro tiene al menos 10 alótropos*. En forma bidimensional, similar polimorfismo* también se observa.
Elemento trivalente* capaz de formar tres enlaces covalentes, cuya valencia es tres.
Alotropía* - cuando un elemento químico puede presentarse en forma de dos o más sustancias simples. Por ejemplo, carbono: diamante, grafeno, grafito, nanotubos de carbono, etc.
Polimorfismo* - la capacidad de una sustancia de existir en diferentes estructuras cristalinas (modificaciones polimórficas). En el caso de sustancias simples, este término es sinónimo de alotropía.
Dado este amplio polimorfismo, se sugiere que el borofeno puede ser un excelente candidato para crear nuevas heteroestructuras bidimensionales, ya que diferentes configuraciones de enlaces de boro deberían relajar los requisitos de coincidencia de la red. Desafortunadamente, este tema se estudió anteriormente exclusivamente a nivel teórico debido a dificultades de síntesis.
Para materiales 2D convencionales obtenidos a partir de cristales en capas a granel, se pueden realizar heteroestructuras verticales mediante apilamiento mecánico. Por otro lado, las heteroestructuras laterales bidimensionales se basan en síntesis ascendente. Las heteroestructuras laterales atómicamente precisas tienen un gran potencial para resolver problemas de control funcional de heterouniones; sin embargo, debido al enlace covalente, la coincidencia imperfecta de la red generalmente da como resultado interfaces amplias y desordenadas. Por tanto, existe potencial, pero también problemas para realizarlo.
En este trabajo, los investigadores lograron integrar borofeno y grafeno en una heteroestructura bidimensional. A pesar del desajuste de la red cristalográfica y la simetría entre el borofeno y el grafeno, la deposición secuencial de carbono y boro sobre un sustrato de Ag(111) en vacío ultraalto (UHV) da como resultado heterointerfaces laterales casi atómicamente precisas con alineamientos de red predichos, así como heterointerfaces verticales. .
Preparación para la investigación
Antes de estudiar la heteroestructura, hubo que fabricarla. El crecimiento de grafeno y borofeno se llevó a cabo en una cámara de ultra alto vacío con una presión de 1x10-10 milibares.
El sustrato monocristalino de Ag(111) se limpió mediante ciclos repetidos de pulverización catódica de Ar+ (1 x 10-5 milibares, 800 eV, 30 minutos) y recocido térmico (550 °C, 45 minutos) para obtener un Ag(111) atómicamente limpio y plano. XNUMX) superficie. .
El grafeno se cultivó mediante evaporación por haz de electrones de una varilla de grafito puro (99,997 %) con un diámetro de 2.0 mm sobre un sustrato de Ag (750) calentado a 111 °C con una corriente de calentamiento de ~ 1.6 A y un voltaje de aceleración de ~ 2 kV. , lo que da 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 borofeno se cultivó mediante evaporación con haz de electrones de una varilla de boro puro (99,9999 %) sobre grafeno submonocapa sobre Ag (400) calentado a 500-111 °C. La corriente del filamento fue de ~1.5 A y el voltaje de aceleración fue de 1.75 kV, lo que da una corriente de emisión de ~34 mA y un flujo de boro de ~10 nA. La presión en la cámara durante el crecimiento del borofeno fue de aproximadamente 2 x 10-10 milibares.
Resultados de la investigación
Imagen #1
en la imagen 1А mostrado STM* una instantánea del grafeno cultivado, donde los dominios del grafeno se visualizan mejor usando un mapa dI/dV (1V), donde I и V son la corriente de tunelización y el desplazamiento de la muestra, y d - densidad.
STM* - microscopio de efecto túnel.
dI/dV Los mapas de la muestra nos permitieron ver una mayor densidad local de estados de grafeno en comparación con el sustrato Ag (111). De acuerdo con estudios previos, el estado superficial de Ag (111) tiene una característica escalonada, desplazada hacia energías positivas por dI/dV espectro de grafeno (1S), lo que explica la mayor densidad local de estados de grafeno en 1V a 0.3 eV.
en la imagen 1D Podemos ver la estructura del grafeno de una sola capa, donde la red de panal y superestructura muaré*.
Superestructura* - una característica de la estructura de un compuesto cristalino que se repite en un cierto intervalo y, por lo tanto, crea una nueva estructura con un período de alternancia diferente.
Muaré* - superposición de dos patrones de malla periódicos uno encima del otro.
A temperaturas más bajas, el crecimiento conduce a la formación de dominios de grafeno dendríticos y defectuosos. Debido a las débiles interacciones entre el grafeno y el sustrato subyacente, la alineación rotacional del grafeno con respecto al Ag(111) subyacente no es única.
Después de la deposición de boro, microscopía de efecto túnel (1E) mostró la presencia de una combinación de dominios de borofeno y grafeno. También son visibles en la imagen regiones dentro del grafeno, que luego fueron identificadas como grafeno intercalado con borofeno (indicado en la imagen Gr/B). En esta zona también se ven claramente elementos lineales orientados en tres direcciones y separados por un ángulo de 120° (flechas amarillas).
Imagen #2
Foto en 2Аcomo 1E, confirman la aparición de depresiones oscuras localizadas en el grafeno después de la deposición de boro.
Para examinar mejor estas formaciones y conocer su origen, se tomó otra fotografía de la misma zona, pero utilizando mapas |dlnI/dz| (2B), donde I — corriente del túnel, d es la densidad, y z — separación sonda-muestra (el espacio entre la aguja del microscopio y la muestra). El uso de esta técnica permite obtener imágenes con alta resolución espacial. Para ello también puede utilizar CO o H2 en la aguja del microscopio.
imagen 2S es una imagen obtenida utilizando un STM cuya punta fue recubierta con CO. Comparación de imágenes А, В и С muestra que todos los elementos atómicos se definen como tres hexágonos brillantes adyacentes dirigidos en dos direcciones no equivalentes (triángulos rojos y amarillos en las fotografías).
Imágenes ampliadas de esta zona (2D) confirman que estos elementos están de acuerdo con las impurezas dopantes de boro, ocupando dos subredes de grafeno, como lo indican las estructuras superpuestas.
El recubrimiento de CO de la aguja del microscopio permitió revelar la estructura geométrica de la lámina de borofeno (2E), lo que sería imposible si la aguja fuera estándar (metálica) sin recubrimiento de CO.
Imagen #3
Formación de heterointerfaces laterales entre borofeno y grafeno (3А) debería ocurrir cuando el borofeno crece junto a dominios de grafeno que ya contienen boro.
Los científicos recuerdan que las heterointerfaces laterales basadas en grafeno-hBN (grafeno + nitruro de boro) tienen una consistencia reticular, y las heterouniones basadas en dichoslcogenuros de metales de transición tienen una consistencia simétrica. En el caso del grafeno/borofeno, la situación es ligeramente diferente: tienen una similitud estructural mínima en términos de constantes de red o simetría cristalina. Sin embargo, a pesar de esto, la heterointerfaz lateral grafeno/borofeno demuestra una consistencia atómica casi perfecta, con las direcciones de la fila de boro (fila B) alineadas con las direcciones en zigzag (ZZ) del grafeno (3А) Sobre el 3V Se muestra una imagen ampliada de la región ZZ de la heterointerfaz (las líneas azules indican elementos interfaciales correspondientes a enlaces covalentes boro-carbono).
Dado que el borofeno crece a una temperatura más baja en comparación con el grafeno, es poco probable que los bordes del dominio del grafeno tengan una alta movilidad al formar una heterointerfaz con el borofeno. Por lo tanto, la heterointerfaz casi atómicamente precisa es probablemente el resultado de diferentes configuraciones y características de los enlaces de boro multisitio. Exploración de espectros de espectroscopía de túnel (3S) y conductividad diferencial del túnel (3D) muestran que la transición electrónica del grafeno al borofeno se produce en una distancia de ~5 Å sin estados de interfaz visibles.
en la imagen 3E Se muestran tres espectros de espectroscopia de efecto túnel tomados a lo largo de las tres líneas discontinuas en 3D, que confirman que esta breve transición electrónica es insensible a las estructuras interfaciales locales y es comparable a la de las interfaces borofeno-plata.
Imagen #4
Grafeno intercalación* También se ha estudiado ampliamente anteriormente, pero la conversión de intercalantes en verdaderas láminas 2D es relativamente rara.
Intercalación* - 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 de grafeno con boro. en la imagen 4А Se presenta evidencia no solo de la intercalación de boro, sino también de la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, especialmente dominios triangulares rodeados de grafeno. La red en forma de panal observada en este dominio triangular confirma la presencia de grafeno. Sin embargo, este grafeno exhibe una menor densidad local de estados a -50 meV en comparación con el grafeno circundante (4V). En comparación con el grafeno directamente sobre Ag(111), no hay evidencia de una alta densidad local de estados en el espectro. dI/dV (4C, curva azul), correspondiente al estado superficial de Ag(111), es la primera evidencia de intercalación de boro.
Además, como se esperaba para la intercalación parcial, la red de grafeno permanece continua en toda la interfaz lateral entre el grafeno y la región triangular (4D - corresponde a un área rectangular en 4А, encerrado en una línea de puntos roja). Una imagen usando CO en una aguja de microscopio también confirmó la presencia de impurezas de sustitución de boro (4E - corresponde a un área rectangular en 4А, encerrado en una línea de puntos amarilla).
Durante el análisis también se utilizaron agujas de microscopio sin ningún recubrimiento. En este caso, se revelaron signos de elementos lineales unidimensionales con una periodicidad de 5 Å en los dominios de grafeno intercalados (4F и 4G). Estas estructuras unidimensionales se parecen a las filas de boro en el modelo de borofeno. Además del conjunto de puntos correspondientes al grafeno, se utiliza la transformada de Fourier de la imagen en 4G muestra un par de puntos ortogonales correspondientes a una red rectangular de 3 Å x 5 Å (4Н), que concuerda excelentemente con el modelo del borofeno. Además, la triple orientación observada de la matriz de elementos lineales (1E) concuerda bien con la misma estructura predominante observada para las láminas de borofeno.
Todas estas observaciones sugieren fuertemente la intercalación de grafeno por borofeno cerca de los bordes de Ag, lo que en consecuencia conduce a la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, que pueden realizarse ventajosamente aumentando la cobertura inicial de grafeno.
4I es una representación esquemática de una heteroestructura vertical en 4H, donde la dirección de la fila de boro (flecha rosa) está estrechamente alineada con la dirección en zigzag del grafeno (flecha negra), formando así una heteroestructura vertical rotacionalmente proporcional.
Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio, recomiendo mirar и a él.
El acto final
Este estudio demostró que el borofeno es bastante capaz de formar heteroestructuras laterales y verticales con el grafeno. Estos sistemas se pueden utilizar en el desarrollo de nuevos tipos de elementos bidimensionales utilizados en nanotecnología, electrónica flexible y portátil, así como nuevos tipos de semiconductores.
Los propios investigadores creen que su desarrollo podría suponer un poderoso impulso para las tecnologías relacionadas con la electrónica. Sin embargo, todavía es difícil decir con seguridad que sus palabras serán proféticas. De momento, todavía queda mucho por investigar, comprender e inventar para que esas ideas de ciencia ficción que llenan la mente de los científicos se conviertan en una realidad en toda regla.
Gracias por leer, sigan curiosos y que tengan una excelente semana, muchachos. 🙂
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Fuente: habr.com