Kahe mõõtme duett: boorfen-graphene heterostruktuuride loomine

„Mutatsioon on võti evolutsiooni saladuse lahendamiseks. Areng tee lihtsaimast organismist domineerivasse bioloogilisse liiki kestab tuhandeid aastaid. Kuid iga saja tuhande aasta järel toimub evolutsioonis järsk edasiminek“ (Charles Xavier, X-Mehed, 2000). Kui jätta kõrvale kõik teadusfantastilised elemendid, mis on väljaannetes ja filmides, siis professor X'i sõnad on täiesti tõesed. Midagi areng kestab enamasti ühtlaselt, kuid vahel toimuvad järsud hüpped, mis mõjutavad kogu protsessi. See kehtib mitte ainult liikide evolutsiooni, vaid ka tehnoloogia evolutsiooni kohta, mille peamiseks jõuks on inimesed, nende uuringud ja leiutised. Täna kohtume uuringuga, mida selle autorid peavad tõeliseks evolutsiooniliseks hüppeks nanotehnoloogias. Kuidas suudavad Põhja-Lääne Ülikooli teadlased luua uue kahe mõõtme heterostruktuuri, miks valiti aluseks grafen ja boorfen ning milliseid omadusi võib selline süsteem omada? Sellele vastab teadusgrupi ettekanne. Alustame.

Uuringu alus

Terminit „grafen“ oleme kuulnud juba korduvalt — see on kahe mõõtme süsiniku modifikatsioon, mis koosneb ühe aatomi paksusest süsiniku kihist. Kuid „boorfen“ on harvaesinev. See termin tähistab kahe mõõtme kristalli, mis koosneb ainult boori (B) aatomitest. Esmakordselt ennustati boorfenist eksisteerimise võimalust juba 90-ndate keskel, kuid praktikas suudeti seda struktuuri saada alles 2015. aastal.

Boorfen’i aatomstruktuur koosneb kolmnurksetest ja kuuehulgalistest elementidest ning on kahe keskse ja mitme keskse tasandisiseste sidemete vahelise koostoime tagajärg, mis on iseloomulik elementidele, millel on elektronide puudus, nagu boor.

*Kahe kesksete ja mitme kesksete sidemete all mõistetakse keemilisi seoseid — aatomite koostoimeid, mis iseloomustavad molekuli või kristalli stabiilsust kui ühtset struktuuri. Näiteks tekib kahe keskne kahe elektroniga side, kui kaks aatomit jagavad enda vahel kaks elektroni, ja kahe keskne kolme elektroniga side, kui kaks aatomit jagavad kolm elektronit jne.

Füüsilisest vaatenurgast võib borofen olla tugevam ja paindlikum kui grafeen. Samuti arvatakse, et borofeni struktuurid võivad olla tõhusad täiendid akude jaoks, kuna borofen omab suurt specifilist mahutavust ja ainulaadseid elektronjuhtivuse ja ioonide liikumise omadusi. Siiski on see praegu ainult teooria.

Olles kolmevalentne element*, on boril vähemalt 10 allotroopi*. Kahedimensioonilises vormis sarnast polümorfismi* on samuti täheldatud.

Kolmevalentne element* on võimeline moodustama kolme kovalentset sidet, mille valentss on kolm.

Allotropia* on olukord, kus üks keemiline element võib esineda kahes või enamates lihtaines. Näiteks süsinik — teemant, grafeen, grafit, süsiniku nanotrubi jne.

Polümorfism* on aine võime eksisteerida erinevates kristallstruktuurides (polümorfsed modifikatsioonid). Lihtainete puhul on see termin sünonüümiks allotroopiale.

Arvestades nii laia polümorfismi, tekib oletus, et borofen võib olla suurepärane kandidaat uute kahe dimentsiooniga heterostruktuuride loomiseks, kuna erinevad boori sidemete konfiguratsioonid peaksid vähendama kristallivõre ühtlustamise nõudeid. Kahjuks on seda küsimust varem uuritud peamiselt teoreetilisel tasandil sünteesi keerukuse tõttu.

Tavaliste 2D materjalide, mis on saadud mahukatest kihilistest kristallidest, puhul võivad vertikaalsed heterostruktuurid olla teostatud mehaanilise ladumise abil. Teisest küljest põhinevad kahe dimensiiooni lateraalsed heterostruktuurid ülespoole suunatud sünteesimisel. Aatomitäpne lateraalne heterostruktuur omab suurt potentsiaali heteroülemineku funktsionaalsete võimaluste kontrollimise probleemide lahendamisel, kuid kovalentse sideme tõttu viib puudulik võre ühtlustamine tavaliselt laialdaste ja korrastamata liideste tekkeni. Seetõttu on potentsiaal olemas, kuid selle elluviimisega on seotud ka probleeme.

Selles uuringus õnnestus teadlastel integreerida borofen ja grafen ühte kahe mõõtmega heterostruktuuri. Hoolimata borofeni ja grafeni vahelisest kristallograafia võrgustiku ja sümmeetria mittesobivusest toob süsiniku ja borandi järjestikune sadestamine Ag(111) alusele ülimalt kõrge vaakumi (UHV) tingimustes kaasa peaaegu aatomitäpse lateraalsete hetero-liidete teke, millel on prognoositavad võrgustiku joondumised ja vertikaalsed hetero-liidete omadused.

Uuringuks valmistumine

Enne heterostruktuuri uurimist tuli see esmalt valmistada. Grafeni ja borofeni kasv toimus ülimalt kõrge vaakumi kambris, kus oli rõhk 1x10-10 millibari.

Monokristalliline Ag(111) alus pesti puhtaks korduvate Ar+-pihustamise tsüklite abil (1 x 10-5 millibari, energia 800 eV, 30 minutit) ja termilise taastükkimise (550 °C, 45 minutit) teel, kuni saavutati aatomipuhas ja tasane Ag(111) pind.

Grafeni kasvatamine toimus puhta (99,997%) grafiitvarre elektronkiirede aurustamise kaudu 2,0 mm diameetriga kuumutatud Ag (111) alusele temperatuuril 750 °C, voolu ~ 1,6 A ja kiirenduspingega ~ 2 kV, mis annab emissioonivoolu ~ 70 mA ja süsiniku voolu ~ 40 nA. Kambris oli rõhk 1 x 10-9 millibari.

Borofeni kasv toimus puhta (99,9999%) boorivarre elektronkiirede aurustamise kaudu kuumutatud 400-500 °C submonokihiliseks grafeniks Ag (111) alusel. Kütte vool oli ~ 1,5 A, kiirenduspinget 1,75 kV, mis annab emissioonivoolu ~ 34 mA ja boori voolu ~ 10 nA. Rõhk kambris borofeni kasvatamise ajal oli umbes 2 x 10-10 millibari.

Uuringu tulemused

Pilt №1

Pildil 1A kuvatud STM* kasvatatud grafeni pilt, kus grafeni domeene on kõige paremini visualiseeritud kaardi abil dI/dV (1B), kus I ja V — tunnelvoog ja proovi nihke, ja d — tihedus.

STM* — skaneeriv tunnelmikroskoop.

dI/dV Proovikaardid võimaldasid näha kõrgemat kohaliku olekute tihedust grafeni osas võrreldes Ag (111) alusega. Eelnevate uuringute kohaselt on Ag (111) pinnaolekudel astmelise iseloomu, mis on nihutatud positiivsete energiate suunas dI/dV grafeni spektris (1C), mis selgitab kõrgemat kohaliku olekute tihedust grafeni osas 1B katse juures 0,3 eV.

Pildil 1D me võime näha ühetasandilise grafeni struktuuri, kus on selgelt nähtav kuusnurkne struktuur ja moiré ülestruktuur*.

Ülestruktuur* — kristallilise ühendi struktuuri omadus, mis kordub teatud intervalliga ja loob seega uue struktuuri teise vaheldumise perioodiga.

Muur* — kahe perioodilise võrgu mustri üksteise peale asetamine.

Madalamate temperatuuride korral viib kasv dendriitiliste ja defektsete grafeeni domeenide moodustumiseni. Kergete interaktsioonide tõttu grafeeni ja allpool asuva substraadi vahel ei ole grafeeni pööramine alluva Ag (111) suhtes unikaalne.

Bora depositeerimise järel näitas skaneerimis-tunnelimikroskoopia (1E) borofenide ja grafeeni domeenide ühendite olemasolu. Samuti on pildil näha grafeeni sisemisi piirkondi, mis hiljem määrati borofeniga interkalatsioonitud grafeeniks (märgitud pildil Gr/B). Sel alal on samuti hästi nähtavad kolmes suunas suunatud lineaarsete elementide rühmad, mis on üksteisest 120 ° nurga all (kollased nooled).

Pilt nr 2

Pilt 2A, nagu ka 1E, kinnitavad grafeeni lokaliseeritud tumedate süvendite (depressioonide) tekkimist pärast bora depositeerimist.

Nende moodustuste paremaks uurimiseks ja nende päritolu väljaselgitamiseks tehti veel üks pilt samas piirkonnas, kuid rakendades kaarte |dlnI/dz| (2В), где I — tunnelituli, d — tihedus ning z — sondi ja proovi vahe (vahe mikroskoobi nõela ja proovi vahel). Selle meetodi kasutamine võimaldab saada suure ruumilise eraldusvõimega pilte. Samuti saab selleks rakendada CO-d või H2-d mikroskoobi nõelal.

Pilt 2С on STM-i abil saadud foto, mille nõel oli kaetud CO-ga. Piltide võrdlemine A, Uues ja A näitab, et kõik aatomielementid määratakse kolmnurksete kuue nurga all naaberocona suunas, mis on suunatud kahte mitteekvivalentset suunda (punased ja kollased kolmnurgad piltidel).

Selle piirkonna suurendatud pildid (2D) kinnitavad, et need elemendid on kooskõlas boride lisandite, mis katavad kahte grafeeni alarnet, millele viitavad ka kattuvad struktuurid.

CO katmine mikroskoobi nõelal võimaldas tuvastada borofenilehe geomeetrilise struktuuri (2E), mida ei oleks olnud võimalik, kui nõel oleks standardne (metalliline) ilma CO kattega.

Pilt nr 3

Borofeni ja grafeeni vaheliste lateraalsete heteroiliidide moodustumine (3A) peaks when borophene grows alongside graphene domains that already contain boron.

Scientists remind us that lateral heterointerfaces based on graphene-hBN (graphene + boron nitride) have lattice coherence, while heterojunctions based on transition metal dichalcogenides maintain symmetry coherence. In the case of graphene/borophene, the situation is slightly different — they have minimal structural similarity in terms of lattice constants or crystalline symmetry. However, despite this, the lateral heterointerface of graphene/borophene demonstrates nearly perfect atomic coherence, with boron row (B-row) directions aligned with the zigzag (ZZ) directions of graphene.3A) At 3B an enlarged image of the ZZ region of the heterointerface (the blue lines mark the interfacial elements corresponding to boron-carbon covalent bonds).

Since borophene growth occurs at lower temperatures than graphene, the edges of the graphene domain are unlikely to have high mobility when forming a heterointerface with borophene. Therefore, the nearly atomically precise heterointerface is likely the result of various configurations and characteristics of multi-center boron bonds. Scanning tunneling spectroscopy (3C) and differential tunneling conductance (3D) spectra show that the electronic transition from graphene to borophene occurs over a distance of ~ 5 Å without visible interface states.

Pildil 3E shows three scanning tunneling spectroscopy spectra taken along three dashed lines on 3D, confirming that this short electronic transition is insensitive to local interfacial structures and comparable to that at borophene-silver boundaries.

Pilt nr 4

Graphene intercalation* has also been extensively studied, but converting intercalants into true 2D sheets is a relatively rare occurrence.

Intercalation* is the reversible inclusion of a molecule or group of molecules between other molecules or groups of molecules.

The small atomic radius of boron and the weak interaction between graphene and Ag (111) suggest the possibility of graphene intercalation with boron. In the image 4A on tõendatud, et mitte ainult boori interkalatsioon, vaid ka vertikaalsete borofen-grafeen heterostruktuuride moodustumine, eriti kolmnurksete domeenide ümber grafeeni. Selle kolmnurkse domeeni puhul täheldatud rakuline struktuur kinnitab grafeeni olemasolu. Kuid see grafeen näitab madalamat kohaliku olekutihedust -50 mV juures võrreldes ümbritseva grafeeniga (4B). Võrreldes grafeeniga otse Ag (111) peal ei ole spektris kõrge kohaliku olekutiheduse märke. dI/dV (4C, sinine kõver), mis vastab Ag (111) pinnaseisundile, on esimene tõend boori interkalatsioonist.

Nagu oodatud osalise interkalatsiooni korral jääb grafeeni struktuur katkematuks kogu külgsuunalise liidese ulatuses grafeeni ja kolmnurkse ala vahel (4D — vastab ristkülikulisele alale 4A, mis on tähistatud punase katkise joonega). Mikroskoobi nõela abil tehtud pildistamine kinnitas ka asendavate boori lisandite olemasolu (4E — vastab ristkülikulisele alale 4A, mis on tähistatud kollase katkise joonega).

Analüüsi käigus kasutati samuti mikroskoobi nõelu ilma igasuguse katteeta. Sel juhul tuvastati interkalatsiooniga grafeeni domeenides ühemeetmeliste lineaarsete elementide märke, mille perioodilisus oli 5 Å (4F ja 4G). Need ühemeetmelised struktuurid meenutavad boori ridu borofeni mudelis. Lisaks grafeenile vastavatele punktidele, näitab Fourier' teisendus pildist 4G kaht ortogonaalset punkti, mis vastavad ristküliku struktuurile 3 Å x 5 Å (4Н), mis sobib suurepäraselt borofeni mudeliga. Samuti on täheldatud lineaarsete elementide rakkude kolmikorienteeritus (1E) hästi kooskõlas sama domineeriva struktuuriga, mida on täheldatud borofeni lehtedes.

Kõik need tähelepanekud tõendavad veenvalt grafeeni interkalatsiooni borofeni poolt Ag servade lähedal, mis viib seega borofen-grafeeni vertikaalsete heterostruktuuride moodustumiseni, mida saab peamiselt ellu viia grafeeni algse katte suurendamise kaudu.

4I on joonis, mis kujutab vertikaalset heterostruktuuri 4H, kus booririda suund (roosa nool) on peaaegu joondatud grafeeni (must nool) siksakilise suunaga, moodustades seeläbi pöördvõrdse vertikaalse heterostruktuuri.

Kuna soovin üksikasjalikumalt uurimise nüansse, soovitan tutvuda teadlaste raportiga ja täiendavate materjalidega selle juurde.

Epilog

See uurimus näitas, et boorofen on täiesti võimeline moodustama külgsuunalisi ja vertikaalseid heterostruktuure grafeeniga. Selliseid süsteeme saab kasutada uute tüüpi kahemõõtmeliste elementide arendamisel, mida rakendatakse nanotööstuses, paindlikus ja kantavas elektroonikas, samuti uute pooljuhtide tüüpides.

Uurijad usuvad, et nende areng võib anda olulise tõuke edasi elektroonikaga seotud tehnoloogiatele. Ent on keeruline öelda, kas nende ennustused saavad tõeks, sest veel on palju uurida, mõista ja välja mõelda, et need teaduslikult fantastilised ideed, mis teadlaste mõtteid täidavad, saaksid tõelisuseks.

Aitäh tähelepanu eest, olge uudishimulikke ja head töö nädalat kõigile, sõbrad. 🙂

Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavat sisu? Toetage meid, tellides teenuse või soovitades meid tuttavatele. 30% allahindlus Habr'i kasutajatele ainulaadsele sissetuleku tasemel serverile, mille oleme teie jaoks välja mõelnud: Kogu tõde VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 tuuma) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps alates $20 või kuidas õigesti serverit jagada? (saadaval RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 tuuma ja kuni 40GB DDR4).

Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TB alates $199 Hollandis! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege sellest Kuidas luua ettevõtte tasemel infrastruktuuri, kasutades Dell R730xd E5-2650 v4 servereid, mille hind on 9000 eurot, taskukohase hinna eest?

Allikas: habr.com