"Mutatsioon on võti evolutsiooni saladuse lahtiharutamiseks. Arengutee kõige lihtsamast organismist domineeriva bioloogilise liigini kestab tuhandeid aastaid. Kuid iga saja tuhande aasta järel toimub evolutsioonis järsk hüpe edasi” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Kui jätta kõrvale kõik koomiksites ja filmides esinevad ulmeelemendid, on professor X sõnad üsna tõesed. Millegi arendamine kulgeb enamasti ühtlaselt, kuid vahel on hüppeid, millel on kogu protsessile tohutu mõju. See ei puuduta ainult liikide arengut, vaid ka tehnoloogia arengut, mille peamiseks tõukejõuks on inimesed, nende uurimused ja leiutised. Täna tutvume uuringuga, mis on selle autorite sõnul nanotehnoloogia tõeline evolutsiooniline hüpe. Kuidas õnnestus Northwesterni ülikooli (USA) teadlastel luua uus kahemõõtmeline heterostruktuur, miks valiti aluseks grafeen ja borofeen ning millised omadused võiksid sellisel süsteemil olla? Sellest räägib meile uurimisrühma aruanne. Mine.
Uurimistöö alus
Oleme korduvalt kuulnud terminit "grafeen"; see on kahemõõtmeline süsiniku modifikatsioon, mis koosneb 1 aatomi paksusest süsinikuaatomite kihist. Kuid "borofeen" on äärmiselt haruldane. See termin viitab kahemõõtmelisele kristallile, mis koosneb ainult boori (B) aatomitest. Esmakordselt ennustati borofeeni olemasolu võimalust juba 90ndate keskel, kuid praktikas saadi see struktuur alles 2015. aastaks.
Borofeeni aatomstruktuur koosneb kolmnurksetest ja kuusnurksetest elementidest ning on kahe- ja mitmetsentriliste tasapinnaliste sidemete interaktsiooni tagajärg, mis on väga tüüpiline elektrondefitsiidiga elementidele, mille hulka kuulub ka boor.
*Kahe- ja mitmetsentriliste sidemete all peame silmas keemilisi sidemeid – aatomite vastastikmõjusid, mis iseloomustavad molekuli või kristalli kui ühtse struktuuri stabiilsust. Näiteks tekib kahetsentriline kaheelektroniline side, kui 2 aatomit jagavad 2 elektroni, ja kahetsentriline kolmeelektroni side tekib siis, kui 2 aatomit ja 3 elektroni jne.
Füüsikalisest vaatenurgast võib borofeen olla tugevam ja paindlikum kui grafeen. Samuti arvatakse, et borofeeni struktuurid võivad olla patareide tõhus täiendus, kuna borofeenil on suur erivõimsus ning ainulaadne elektrooniline juhtivus ja ioonide transpordi omadused. Praegu on see aga vaid teooria.
olemine kolmevalentne element*, booris on vähemalt 10 allotroopid*. Kahemõõtmelisel kujul, sarnane polümorfism* samuti täheldatakse.
Kolmevalentne element* on võimeline moodustama kolme kovalentset sidet, mille valents on kolm.
Allotroopia* - kui ühte keemilist elementi saab esitada kahe või enama lihtsa aine kujul. Näiteks süsinik - teemant, grafeen, grafiit, süsinik-nanotorud jne.
polümorfism* - aine võime eksisteerida erinevates kristallstruktuurides (polümorfsed modifikatsioonid). Lihtainete puhul on see termin allotroopia sünonüüm.
Arvestades seda laia polümorfismi, soovitatakse borofeen olla suurepärane kandidaat uute kahemõõtmeliste heterostruktuuride loomiseks, kuna erinevad boori sidumiskonfiguratsioonid peaksid lõdvendama võre sobitamise nõudeid. Kahjuks uuriti seda küsimust sünteesiraskuste tõttu varem ainult teoreetilisel tasemel.
Hulgikihilistest kristallidest saadud tavapäraste 2D-materjalide puhul saab vertikaalseid heterostruktuure realiseerida mehaanilise virnastamise abil. Teisest küljest põhinevad kahemõõtmelised külgmised heterostruktuurid alt-üles sünteesil. Aatomiliselt täpsetel külgmistel heterostruktuuridel on suur potentsiaal heteroühenduse funktsionaalse juhtimise probleemide lahendamisel, kuid kovalentse sideme tõttu põhjustab ebatäiuslik võre sobitamine tavaliselt laiad ja korrastamata liidesed. Seega potentsiaali on, aga selle realiseerimisel on ka probleeme.
Selles töös õnnestus teadlastel integreerida borofeen ja grafeen üheks kahemõõtmeliseks heterostruktuuriks. Hoolimata borofeeni ja grafeeni kristallograafilise võre mittevastavusest ja sümmeetriast, põhjustab süsiniku ja boori järjestikune sadestamine Ag(111) substraadile ülikõrgvaakumi (UHV) all peaaegu aatomiliselt täpsed külgmised heteroliidesed prognoositud võre joondustega, aga ka vertikaalsed heteroliidesed. .
Uuringute ettevalmistamine
Enne heterostruktuuri uurimist tuli see valmistada. Grafeeni ja borofeeni kasvatamine viidi läbi ülikõrge vaakumkambris rõhuga 1x10-10 millibaari.
Üksikkristall Ag(111) substraati puhastati korduvate Ar+ pihustustsüklitega (1 x 10-5 millibaari, 800 eV, 30 minutit) ja termilise lõõmutamisega (550 °C, 45 minutit), et saada aatompuhas ja tasane Ag. 111) pind.
Grafeen kasvatati 99,997 mm läbimõõduga puhta (2.0%) grafiitpulga elektronkiire aurustamisega Ag (750) substraadile, mis oli kuumutatud temperatuurini 111 °C küttevooluga ~ 1.6 A ja kiirenduspingega ~ 2 kV , mis annab emissioonivooluks ~ 70 mA ja süsinikuvoo ~ 40 nA. Rõhk kambris oli 1 x 10-9 millibaari.
Borofeeni kasvatati puhta (99,9999%) boorvarda elektronkiire aurustamisega submonokihilisele grafeenile Ag-l (400), mida kuumutati temperatuurini 500–111 °C. Hõõgniidi vool oli ~1.5 A ja kiirenduspinge 1.75 kV, mis annab emissioonivooluks ~34 mA ja boori vooluks ~10 nA. Rõhk kambris oli borofeeni kasvu ajal ligikaudu 2 x 10-10 millibaari.
Uuringute tulemused
Pilt nr 1
Pildi peal 1А näidatud STM* hetktõmmis kasvanud grafeenist, kus grafeeni domeenid on kaardi abil kõige paremini visualiseeritud dI/dV (1V), kus I и V on tunnelivool ja proovi nihe ning d - tihedus.
STM* — skaneeriv tunnelmikroskoop.
dI/dV proovi kaardid võimaldasid meil näha grafeeni olekute suuremat kohalikku tihedust võrreldes Ag (111) substraadiga. Vastavalt varasematele uuringutele on Ag (111) pinnaseisundil astmeline karakteristik, mis on nihkunud positiivsete energiate poole. dI/dV grafeeni spekter (1S), mis selgitab grafeeni olekute suuremat kohalikku tihedust 1V 0.3 eV juures.
Pildi peal 1D näeme ühekihilise grafeeni struktuuri, kus kärgvõre ja muaree pealisehitus*.
Pealisehitus* - kristalse ühendi struktuuri tunnus, mis kordub teatud intervalliga ja loob seeläbi uue struktuuri erineva vaheldumisperioodiga.
Moire* - kahe perioodilise võrgusilma mustri üksteise peale asetamine.
Madalamatel temperatuuridel põhjustab kasv dendriitsete ja defektsete grafeenidomeenide moodustumist. Grafeeni ja selle aluseks oleva substraadi vahelise nõrkade interaktsioonide tõttu ei ole grafeeni pöörlev joondus selle aluseks oleva Ag (111) suhtes ainulaadne.
Pärast boori sadestamist skaneeriv tunnelmikroskoopia (1E) näitas borofeeni ja grafeeni domeenide kombinatsiooni olemasolu. Pildil on näha ka grafeeni sees olevad piirkonnad, mis hiljem tuvastati borofeeniga interkaleeritud grafeenina (näidatud pildil Gr/B). Selles piirkonnas on selgelt nähtavad ka kolmes suunas orienteeritud ja 120° nurgaga eraldatud lineaarsed elemendid (kollased nooled).
Pilt nr 2
Foto sisse lülitatud 2АKui 1E, kinnitavad lokaliseeritud tumedate süvendite ilmnemist grafeenis pärast boori sadestumist.
Nende moodustiste paremaks uurimiseks ja päritolu väljaselgitamiseks tehti samast piirkonnast veel üks foto, kuid kasutades kaarte |dlnI/dz| (2B), kus I — tunnelivool, d on tihedus ja z — sondi ja proovi eraldamine (vahe mikroskoobi nõela ja proovi vahel). Selle tehnika kasutamine võimaldab saada kõrge ruumilise eraldusvõimega pilte. Selleks võite mikroskoobi nõelal kasutada ka CO või H2.
Изображение 2S on kujutis, mis on saadud STM-i abil, mille ots oli kaetud CO-ga. Piltide võrdlus А, В и С näitab, et kõik aatomielemendid on määratletud kui kolm kõrvuti asetsevat heledat kuusnurka, mis on suunatud kahes mittevõrdväärses suunas (fotodel punased ja kollased kolmnurgad).
Suurendatud pildid sellest piirkonnast (2D) kinnitavad, et need elemendid on kooskõlas boori lisandite lisanditega, mis hõivavad kaks grafeeni alamvõrku, nagu näitavad üksteise peale asetatud struktuurid.
Mikroskoobi nõela CO-kate võimaldas paljastada borofeeni lehe geomeetrilise struktuuri (2E), mis oleks võimatu, kui nõel oleks standardne (metallist) ilma CO-katteta.
Pilt nr 3
Külgmiste heteroliideste moodustumine borofeeni ja grafeeni vahel (3А) peaks ilmnema, kui borofeen kasvab juba boori sisaldavate grafeenidomeenide kõrval.
Teadlased tuletavad meelde, et grafeen-hBN-il (grafeen + boornitriid) põhinevatel külgmistel heteroliidestel on võre konsistents ja siirdemetallide dikalkogeniididel põhinevatel heteroühendustel on sümmeetria konsistents. Grafeeni/borofeeni puhul on olukord veidi erinev – neil on minimaalne struktuurne sarnasus võrekonstantide või kristallide sümmeetria osas. Sellest hoolimata näitab külgmine grafeeni / borofeeni heteroliides peaaegu täiuslikku aatomi konsistentsi, kusjuures boorirea (B-rida) suunad on joondatud grafeeni siksakiliste (ZZ) suundadega (3А). Kohta 3V kuvatakse heteroliidese ZZ piirkonna suurendatud kujutis (sinised jooned näitavad liidese elemente, mis vastavad boor-süsinik kovalentsetele sidemetele).
Kuna borofeen kasvab grafeeniga võrreldes madalamal temperatuuril, ei ole grafeeni domeeni servadel borofeeniga heteroliidese moodustamisel tõenäoliselt suur liikuvus. Seetõttu on peaaegu aatomiliselt täpne heteroliides tõenäoliselt mitme saidi boori sidemete erineva konfiguratsiooni ja omaduste tulemus. Skaneerivad tunnelspektroskoopia spektrid (3S) ja diferentsiaaltunneli juhtivus (3D) näitavad, et elektrooniline üleminek grafeenilt borofeenile toimub ~ 5 Å kaugusel ilma nähtavate liidese olekuteta.
Pildi peal 3E Näidatud on kolm skaneerivat tunnelispektroskoopia spektrit, mis on võetud piki kolme katkendjoont 3D-s, mis kinnitavad, et see lühike elektrooniline üleminek ei ole kohalike liidese struktuuride suhtes tundlik ja on võrreldav borofeeni-hõbeda liideste omaga.
Pilt nr 4
Grafeen interkalatsioon* on ka varem laialdaselt uuritud, kuid interkalantide muutmine tõelisteks 2D-lehtedeks on suhteliselt haruldane.
Interkalatsioon* - molekuli või molekulide rühma pöörduv lülitamine teiste molekulide või molekulirühmade vahele.
Boori väike aatomiraadius ja nõrk interaktsioon grafeeni ja Ag (111) vahel viitavad grafeeni võimalikule interkalatsioonile booriga. Pildil 4А tõendeid ei esitata mitte ainult boori interkalatsiooni, vaid ka vertikaalsete borofeeni-grafeeni heterostruktuuride, eriti grafeeniga ümbritsetud kolmnurksete domeenide moodustumise kohta. Sellel kolmnurksel domeenil täheldatud kärgstruktuuri võre kinnitab grafeeni olemasolu. Sellel grafeenil on aga -50 meV juures madalam lokaalne olekutihedus võrreldes ümbritseva grafeeniga (4V). Võrreldes grafeeniga otse Ag-l (111), ei ole mingeid tõendeid spektri olekute suure lokaalse tiheduse kohta dI/dV (4C, sinine kõver), mis vastab Ag (111) pinna olekule, on esimene tõend boori interkalatsiooni kohta.
Samuti, nagu osalise interkalatsiooni puhul eeldati, jääb grafeenivõre pidevaks kogu grafeeni ja kolmnurkse piirkonna külgmises liideses (4D - vastab ristkülikukujulisele alale 4А, ümbritsetud punase punktiirjoonega). Mikroskoobi nõelal CO-ga tehtud pilt kinnitas ka boori asenduslisandite olemasolu (4E - vastab ristkülikukujulisele alale 4А, ümbritsetud kollase punktiirjoonega).
Analüüsi käigus kasutati ka ilma igasuguse katteta mikroskoobi nõelu. Sel juhul ilmnesid interkaleeritud grafeeni domeenides ühemõõtmeliste lineaarsete elementide märgid perioodilisusega 5 Å (4F и 4G). Need ühemõõtmelised struktuurid sarnanevad borofeeni mudeli boori ridadega. Lisaks grafeenile vastavale punktide kogumile teisendab kujutise Fourier 4G kuvab ristkülikukujulisele võrele 3 Å x 5 Å (4H), mis sobib suurepäraselt borofeeni mudeliga. Lisaks on lineaarsete elementide massiivi täheldatud kolmekordne orientatsioon (1E) sobib hästi sama domineeriva struktuuriga, mida täheldati borofeeni lehtede puhul.
Kõik need tähelepanekud viitavad tugevalt grafeeni interkalatsioonile borofeeni poolt Ag servade lähedal, mis viib seega vertikaalsete borofeeni-grafeeni heterostruktuuride moodustumiseni, mida saab soodsalt realiseerida grafeeni esialgse katvuse suurendamisega.
4I on vertikaalse heterostruktuuri skemaatiline kujutis 4H, kus boorirea suund (roosa nool) on tihedalt joondatud grafeeni siksakilise suunaga (must nool), moodustades seega pöörlevalt proportsionaalse vertikaalse heterostruktuuri.
Uuringu nüanssidega täpsemaks tutvumiseks soovitan vaadata и talle.
Epiloog
See uuring näitas, et borofeen on üsna võimeline moodustama grafeeniga külgmisi ja vertikaalseid heterostruktuure. Selliseid süsteeme saab kasutada nanotehnoloogias kasutatavate uut tüüpi kahemõõtmeliste elementide, paindliku ja kantava elektroonika, aga ka uut tüüpi pooljuhtide väljatöötamisel.
Teadlased ise usuvad, et nende arendamine võib olla elektroonikaga seotud tehnoloogiate jaoks võimas edasiminek. Siiski on endiselt raske kindlalt väita, et nende sõnad muutuvad prohvetlikuks. Praegu on veel palju uurida, mõista ja leiutada, et need ulmemõtted, mis teadlaste meeli täidavad, saaksid täisväärtuslikuks reaalsuseks.
Täname lugemise eest, olge uudishimulikud ja head nädalat, poisid. 🙂
Täname, et jäite meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha huvitavamat sisu? Toeta meid, esitades tellimuse või soovitades sõpradele, Habri kasutajatele 30% allahindlus ainulaadsele algtaseme serverite analoogile, mille me teie jaoks välja mõtlesime: (saadaval RAID1 ja RAID10, kuni 24 tuuma ja kuni 40 GB DDR4-ga).
Dell R730xd 2 korda odavam? Ainult siin Hollandis! Dell R420 – 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB – alates 99 dollarist! Millegi kohta lugema
Allikas: www.habr.com