{"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\/es\/blog\/news\/dvumernyj-duet-sozdanie-borofen-grafenovyh-geterostruktur","title":{"rendered":"D\u00fao bidimensional: creaci\u00f3n de heteroestructuras de borofeno y grafeno","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"D\u00fao
\n
\n\u00abLa mutaci\u00f3n es la clave para desentra\u00f1ar el misterio de la evoluci\u00f3n. El camino del desarrollo desde el organismo m\u00e1s simple hasta la especie biol\u00f3gica dominante dura milenios. Pero cada cientos de miles de a\u00f1os en la evoluci\u00f3n ocurre un salto brusco hacia adelante\u00bb (Charles Xavier, X-Men, 2000). Si dejamos de lado todos los elementos de ciencia ficci\u00f3n presentes en los c\u00f3mics y pel\u00edculas, 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 evoluci\u00f3n de las especies, sino tambi\u00e9n a la evoluci\u00f3n de las tecnolog\u00edas, cuyo principal motor son las personas, sus investigaciones e invenciones. Hoy nos familiarizaremos con un estudio que, seg\u00fan sus autores, representa un verdadero salto evolutivo en nanotecnolog\u00eda. \u00bfC\u00f3mo lograron los cient\u00edficos de la Universidad del Noroeste (EE.UU.) crear una nueva heteroestructura bidimensional, por qu\u00e9 se eligieron el grafeno y el borofeno como base, y qu\u00e9 propiedades puede tener un sistema as\u00ed? De esto nos hablar\u00e1 el informe del grupo de investigaci\u00f3n. \u00a1Vamos all\u00e1!<\/a><\/noindex><\/p>\n

Base de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\nEl t\u00e9rmino \u00abgrafeno\u00bb lo hemos o\u00eddo muchas veces: es una modificaci\u00f3n bidimensional del carbono, compuesta por una capa de \u00e1tomos de carbono de 1 \u00e1tomo de grosor. Pero el \u00abborofeno\u00bb se encuentra extremadamente raro. Este t\u00e9rmino se refiere a un cristal bidimensional compuesto exclusivamente de \u00e1tomos de boro (B). La posibilidad de la existencia del borofeno fue predicha por primera vez a mediados de los a\u00f1os 90, pero obtener esta estructura en la pr\u00e1ctica solo fue posible en 2015. <\/p>\n

La estructura at\u00f3mica del borofeno consta de elementos triangulares y hexagonales y es consecuencia de la interacci\u00f3n entre enlaces intraplano de dos centros y m\u00faltiples centros, lo cual es muy caracter\u00edstico de elementos con d\u00e9ficit de electrones, como es el caso del boro.<\/p>\n

*<\/b>Por enlaces de dos centros y m\u00faltiples centros se entienden los enlaces qu\u00edmicos: las interacciones entre \u00e1tomos que caracterizan la estabilidad de una mol\u00e9cula o cristal como una \u00fanica estructura. Por ejemplo, un enlace de dos centros y dos electrones ocurre cuando 2 \u00e1tomos comparten 2 electrones entre s\u00ed, y un enlace de dos centros y tres electrones ocurre entre 2 \u00e1tomos y 3 electrones, etc.<\/p><\/blockquote>\n

Desde un punto de vista f\u00edsico, el borofeno podr\u00eda ser m\u00e1s resistente y flexible en comparaci\u00f3n con el grafeno. Tambi\u00e9n se considera que las estructuras de borofeno pueden ser un complemento eficaz para bater\u00edas, ya que el borofeno cuenta con una alta capacidad espec\u00edfica y propiedades \u00fanicas de conductividad electr\u00f3nica y transporte de iones. Sin embargo, por ahora, esto es solo una teor\u00eda.<\/p>\n

Siendo un elemento trivalente*<\/i>, el boro tiene al menos 10 alotr\u00f3pos*<\/i>. En la forma bidimensional, tambi\u00e9n se observa un polimorfismo*<\/i> . <\/p>\n

El elemento trivalente*<\/b> puede formar tres enlaces covalentes, cuya valencia es igual a tres. <\/p><\/blockquote>\n

La alotrop\u00eda*<\/b> es cuando un elemento qu\u00edmico puede estar presente en forma de dos o m\u00e1s sustancias simples. Por ejemplo, el carbono - diamante, grafeno, grafito, nanotubos de carbono, etc.<\/p><\/blockquote>\n

El polimorfismo*<\/b> es la capacidad de una sustancia para existir en diferentes estructuras cristalinas (modificaciones polim\u00f3rficas). En el caso de sustancias simples, este t\u00e9rmino es sin\u00f3nimo de alotrop\u00eda. <\/p><\/blockquote>\n

Dada esta amplia variedad de polimorfismo, surge la suposici\u00f3n de que el borofeno puede convertirse en un excelente candidato para la creaci\u00f3n de nuevas heteroestructuras bidimensionales, ya que las diferentes configuraciones de enlaces de boro deber\u00edan aliviar los requisitos de ajuste de la red cristalina. Desafortunadamente, este tema se ha investigado anteriormente exclusivamente a nivel te\u00f3rico debido a las dificultades en la s\u00edntesis.<\/p>\n

Para los materiales 2D convencionales obtenidos de cristales laminares voluminosos, las heteroestructuras verticales pueden realizarse mediante apilamiento mec\u00e1nico. Por otro lado, las heteroestructuras laterales bidimensionales se basan en la s\u00edntesis ascendente. Las heteroestructuras laterales at\u00f3micamente precisas tienen un gran potencial para resolver problemas en el control de las capacidades funcionales del heterotransfer, sin embargo, debido a la uni\u00f3n covalente, un desajuste imperfecto de la red generalmente resulta en interfaces anchas y desordenadas. Por lo tanto, hay potencial, pero tambi\u00e9n problemas en su implementaci\u00f3n.<\/p>\n

En este trabajo, los investigadores lograron integrar borofeno y grafeno en una sola heteroestructura bidimensional. A pesar de la discrepancia en las redes cristalogr\u00e1ficas y la simetr\u00eda entre borofeno y grafeno, la deposici\u00f3n secuencial de carbono y boro sobre un sustrato de Ag(111) en ultraalto vac\u00edo (UHV) da lugar a heterointerfaces laterales casi at\u00f3micamente precisas con alineaciones de red previstas, as\u00ed como a heterointerfaces verticales. <\/p>\n

Preparaci\u00f3n para el estudio<\/h3>\n

\nAntes de estudiar la heteroestructura, era necesario fabricarla. El crecimiento de grafeno y borofeno se realiz\u00f3 en una c\u00e1mara de ultraalto vac\u00edo con una presi\u00f3n de 1x10-10 milibares.<\/p>\n

El sustrato monocrystalino de Ag(111) se limpi\u00f3 mediante ciclos repetidos de pulverizaci\u00f3n de Ar+(1 x 10-5 milibares, energ\u00eda 800 eV, 30 minutos) y recocido t\u00e9rmico (550 \u00b0C, 45 minutos) hasta obtener una superficie de Ag(111) at\u00f3micamente limpia y plana.<\/p>\n

El crecimiento de grafeno se llev\u00f3 a cabo mediante la evaporaci\u00f3n por haz electr\u00f3nico de una varilla de grafito puro (99,997%) de 2.0 mm de di\u00e1metro sobre un sustrato de Ag (111) calentado a 750 \u00b0C con una corriente de filamento de ~ 1.6 A y un voltaje acelerador de ~ 2 kV, lo que da lugar a una corriente de emisi\u00f3n de ~ 70 mA y un flujo de carbono de ~ 40 nA. La presi\u00f3n en la c\u00e1mara era de 1 x 10-9 milibares.<\/p>\n

El crecimiento de borofeno se realiz\u00f3 mediante la evaporaci\u00f3n por haz electr\u00f3nico de una varilla de boro puro (99,9999%) sobre un grafeno submonocapa calentado a 400-500 \u00b0C 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 emisi\u00f3n de ~ 34 mA y un flujo de boro de ~ 10 nA. La presi\u00f3n en la c\u00e1mara durante el crecimiento de borofeno fue de aproximadamente 2 x 10-10 milibares.<\/p>\n

Resultados de la investigaci\u00f3n<\/h3>\n

\n\"D\u00fao
\nImagen No. 1<\/i><\/p>\n

En la imagen 1A<\/b> un indicador del nivel de seguridad de la conexi\u00f3n, que permitir\u00e1 evaluar el estado de los modos de bloqueo de c\u00f3digo para rastrear movimientos. El color del s\u00edmbolo del candado para HTTPS se cambiar\u00e1 de verde a gris (se podr\u00e1 volver al color verde mediante la configuraci\u00f3n security.secure_connection_icon_color_gray). STM*<\/i> imagen del grafeno cultivado, donde los dominios de grafeno se visualizan mejor con un mapa dI<\/i>\/dV<\/i> (1B<\/b>), donde I<\/i> y V<\/i> \u2014 corriente de t\u00fanel y desplazamiento de la muestra, y d<\/i> \u2014 densidad. <\/p>\n

STM*<\/b> \u2014 microscopio de t\u00fanel de barrido.<\/p><\/blockquote>\n

dI<\/i>\/dV<\/i> Los mapas de la muestra permitieron observar una mayor densidad local de estados en el grafeno en comparaci\u00f3n con el sustrato Ag (111). De acuerdo con investigaciones anteriores, el estado superficial de Ag (111) presenta un car\u00e1cter escalonado, desplazado hacia energ\u00edas positivas en dI<\/i>\/dV<\/i> el espectro del grafeno (1C<\/b>), lo que explica la mayor densidad local de estados en el grafeno en 1B<\/b> a 0.3 eV.<\/p>\n

En la imagen 1D<\/b> Podemos ver la estructura del grafeno monocapa, donde se distingue claramente la red celular y la superestructura de moir\u00e9*<\/i>.<\/p>\n

Superestructura* <\/b> \u2014 una caracter\u00edstica de la estructura de un compuesto cristalino que se repite a intervalos espec\u00edficos y crea as\u00ed una nueva estructura con un per\u00edodo de alternancia diferente. <\/p>\n

Moar\u00e9*<\/b> \u2014 la superposici\u00f3n de dos patrones de red peri\u00f3dicos entre s\u00ed.<\/p><\/blockquote>\n

A temperaturas m\u00e1s bajas, el crecimiento da lugar a la formaci\u00f3n de dominios dendr\u00edticos y defectuosos de grafeno. Debido a las d\u00e9biles interacciones entre el grafeno y el sustrato subyacente, la alineaci\u00f3n rotacional del grafeno respecto al Ag (111) subyacente no es \u00fanica.<\/p>\n

Despu\u00e9s de la deposici\u00f3n de boro, la microscop\u00eda de t\u00fanel de barrido (1E<\/b>) mostr\u00f3 la presencia de dominios de borofeno y grafeno. Tambi\u00e9n se pueden ver en la imagen \u00e1reas dentro del grafeno que posteriormente se definieron como grafeno intercalado con borofeno (marcado en la imagen Gr\/B<\/b>). En esta \u00e1rea tambi\u00e9n son claramente visibles elementos lineales orientados en tres direcciones y separados por un \u00e1ngulo de 120 \u00b0 (flechas amarillas).<\/p>\n

\"D\u00fao
\nImagen N\u00ba 2<\/i><\/p>\n

La imagen en 2A<\/b>, al igual que 1E<\/b>, confirma la aparici\u00f3n de depresiones localizadas (hundimientos) en el grafeno tras la deposici\u00f3n de boro.<\/p>\n

Para observar mejor estas formaciones y esclarecer su origen, se tom\u00f3 otra imagen de la misma \u00e1rea, pero utilizando un mapa |dlnI<\/i>\/dz| (2\u0412), \u0433\u0434\u0435 I<\/i> \u2014 corriente de t\u00fanel, d<\/i> \u2014 densidad, y z<\/i> \u2014 separaci\u00f3n sonda-muestra (espacio entre la punta del microscopio y la muestra). La aplicaci\u00f3n de esta metodolog\u00eda permite obtener im\u00e1genes con una resoluci\u00f3n espacial mayor. Tambi\u00e9n se puede utilizar CO o H2 en la punta del microscopio. <\/p>\n

Imagen 2C<\/b> es una imagen obtenida con STM, cuya punta estaba recubierta de CO. La comparaci\u00f3n de las im\u00e1genes A<\/b>, En<\/b> y Con<\/b> muestra que todos los elementos at\u00f3micos se definen como tres hex\u00e1gonos adyacentes, orientados en dos direcciones no equivalentes (tri\u00e1ngulos rojos y amarillos en las im\u00e1genes). <\/p>\n

Las im\u00e1genes ampliadas de esta \u00e1rea (2D<\/b>) confirman que estos elementos est\u00e1n en correspondencia con las impurezas de dopaje de boro, ocupando dos subredes de grafeno, lo que tambi\u00e9n es indicado por las estructuras superpuestas.<\/p>\n

El recubrimiento de CO en la punta del microscopio permiti\u00f3 revelar la estructura geom\u00e9trica de la hoja de borofeno (2E<\/b>), lo que ser\u00eda imposible si la punta fuera est\u00e1ndar (met\u00e1lica) sin recubrimiento de CO.<\/p>\n

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\nImagen N\u00ba 3<\/i><\/p>\n

La formaci\u00f3n de heterointerfaces laterales entre borofeno y grafeno (3A<\/b>) deber\u00eda ocurrir cuando el borofeno crece junto a dominios de grafeno donde ya hay boro. <\/p>\n

Los cient\u00edficos 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 transici\u00f3n presentan coherencia en sus simetr\u00edas. En el caso del grafeno\/borofeno, la situaci\u00f3n es un poco diferente: tienen un m\u00ednimo de similitud estructural en t\u00e9rminos de constantes de red o simetr\u00eda cristalina. Sin embargo, a pesar de esto, la heterointerface lateral grafeno\/borofeno demuestra una coherencia at\u00f3mica pr\u00e1cticamente ideal, donde las direcciones de la fila de boro (B-row) se alinean con las direcciones zigzagueantes (ZZ) del grafeno (3A<\/b>). En 3D<\/b> se muestra una imagen ampliada de la regi\u00f3n ZZ de la heterointerface (con las l\u00edneas azules indicando los elementos interfaciales correspondientes a los enlaces covalentes boro-carbono).<\/p>\n

Dado que el crecimiento del borofeno se realiza a una temperatura m\u00e1s baja en comparaci\u00f3n con el grafeno, los bordes del dominio de grafeno probablemente no tendr\u00e1n alta movilidad al formar una heterointerface con el borofeno. Por lo tanto, una heterointerface casi at\u00f3micamente precisa probablemente sea el resultado de diversas configuraciones y caracter\u00edsticas de los enlaces multic\u00e9ntricos de boro. Los espectros de espectroscop\u00eda de tunelamiento (3C<\/b>) y conductividad de tunelamiento diferencial (3D<\/b>) muestran que la transici\u00f3n electr\u00f3nica del grafeno al borofeno ocurre a una distancia de ~ 5 \u00c5 sin estados visibles de la interfaz.<\/p>\n

En la imagen 3E<\/b> se presentan tres espectros de espectroscop\u00eda de tunelamiento, realizados a lo largo de tres l\u00edneas punteadas en 3D, que confirman que esta corta transici\u00f3n electr\u00f3nica es insensible a las estructuras interfaciales locales y es comparable a la similar en las fronteras entre borofeno y plata. <\/p>\n

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\nImagen n\u00famero 4<\/i><\/p>\n

Intercalaci\u00f3n de grafeno* tambi\u00e9n se ha investigado ampliamente, sin embargo, la transformaci\u00f3n de intercalantes en verdaderas hojas 2D es un fen\u00f3meno relativamente raro.<\/i> Intercalaci\u00f3n*<\/p>\n

es la inclusi\u00f3n reversible de una mol\u00e9cula o grupo de mol\u00e9culas entre otras mol\u00e9culas o grupos de mol\u00e9culas.<\/b> El peque\u00f1o radio at\u00f3mico del boro y la d\u00e9bil interacci\u00f3n entre el grafeno y Ag (111) sugieren una posible intercalaci\u00f3n del grafeno con boro. En la imagen<\/p><\/blockquote>\n

El peque\u00f1o radio at\u00f3mico del boro y la d\u00e9bil interacci\u00f3n entre el grafeno y Ag (111) sugieren la posible intercalaci\u00f3n del grafeno con boro. En la imagen 4A<\/b> Se presenta evidencia no solo de la intercalaci\u00f3n de boro, sino tambi\u00e9n de la formaci\u00f3n 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 m\u00e1s baja a -50 meV en comparaci\u00f3n con el grafeno circundante.4B<\/b>. En comparaci\u00f3n con el grafeno directamente en Ag (111), la falta de signos de alta densidad de estados local en el espectro dI<\/i>\/dV<\/i> (4C<\/b>, la curva azul), correspondiente al estado superficial de Ag (111), es la primera evidencia de la intercalaci\u00f3n de boro.<\/p>\n

Asimismo, como era de esperar para la intercalaci\u00f3n parcial, la red de grafeno permanece continua a lo largo de la interfaz lateral entre el grafeno y la regi\u00f3n triangular (4D<\/b> \u2013 corresponde al \u00e1rea rectangular en 4A<\/b>, delineada con una l\u00ednea punteada roja). La imagen obtenida utilizando AFM tambi\u00e9n confirm\u00f3 la presencia de impurezas de boro sustitucionales (4E<\/b> \u2013 corresponde al \u00e1rea rectangular en 4A<\/b>, delineada con una l\u00ednea punteada amarilla).<\/p>\n

Durante el an\u00e1lisis, tambi\u00e9n se utilizaron puntas de microscopio sin ning\u00fan recubrimiento. En tal caso, se detectaron signos de elementos lineales unidimensionales con una periodicidad de 5 \u00c5 (4F<\/b> y 4G<\/b>). Estas estructuras unidimensionales recuerdan a las filas de boro en el modelo de borofeno. Adem\u00e1s de un conjunto de puntos correspondientes al grafeno, la transformaci\u00f3n de Fourier de la imagen en 4G<\/b> muestra un par de puntos ortogonales, correspondientes a una red rectangular de 3 \u00c5 x 5 \u00c5 (4H<\/b>), que coincide perfectamente con el modelo de borofeno. Tambi\u00e9n, la observada triple orientaci\u00f3n de la red de elementos lineales (1E<\/b>) concuerda bien con la misma estructura predominante observada para las capas de borofeno.<\/p>\n

Todas estas observaciones evidencian de manera convincente la intercalaci\u00f3n del grafeno por el borofeno cerca de los bordes de Ag, lo que, por lo tanto, lleva a la formaci\u00f3n de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, que pueden ser principalmente realizadas aumentando la cobertura inicial de grafeno.<\/p>\n

4I<\/b> es una representaci\u00f3n esquem\u00e1tica de la heteroestructura vertical en 4H<\/b>, donde la direcci\u00f3n de la fila de boro (flecha rosa) se alinea estrechamente con la direcci\u00f3n zigzagueante del grafeno (flecha negra), formando as\u00ed una heteroestructura vertical rotacionalmente isom\u00e9trica.<\/p>\n

Para un conocimiento m\u00e1s detallado de las sutilezas de la investigaci\u00f3n, recomiendo echar un vistazo a el informe de los cient\u00edficos<\/a><\/noindex> y material adicional<\/a><\/noindex> a ello.<\/p>\n

Ep\u00edlogo<\/h3>\n

\nEste estudio ha demostrado que el borofeno es capaz de formar heteroestructuras laterales y verticales con grafeno. Estos sistemas podr\u00edan ser utilizados en el desarrollo de nuevos tipos de elementos bidimensionales aplicados en nanotecnolog\u00eda, electr\u00f3nica flexible y port\u00e1til, as\u00ed como en nuevos tipos de semiconductores.<\/p>\n

Los propios investigadores creen que su desarrollo podr\u00eda ser un impulso significativo para las tecnolog\u00edas relacionadas con la electr\u00f3nica. Sin embargo, es dif\u00edcil decir con certeza que sus palabras se volver\u00e1n prof\u00e9ticas. Por el momento, todav\u00eda queda mucho por investigar, comprender e inventar para que esas ideas de ciencia ficci\u00f3n que llenan las mentes de los cient\u00edficos se conviertan en una realidad completa.<\/p>\n

Gracias por su atenci\u00f3n, sigan siendo curiosos y que tengan una buena semana laboral, chicos. \ud83d\ude42<\/p>\n

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

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