„Mutation on võtmekoht evolutsioonim mõistatuse lahendamisel. Arengu tee lihtsaimast organismist valitsevaks bioloogiliseks liigiks kestab tuhandeid aastaid. Ent iga sajandi tuhande aasta jooksul toimub evolutsioonis järsk hüpe edasi“ (Charles Xavier, X-Mehed, 2000). Kui kõrvale jätta kõik teaduslik-fantastilised elemendid, mis esinevad koomiksites ja filmides, on professor X-i sõnad täiesti tõetruud. Mille iganes areng kulgeb ühtlaselt suurema osa ajast, kuid mõnikord tekivad hüpped, millel on tohutu mõju kogu protsessile. See kehtib mitte ainult liikide evolutsiooni, vaid ka tehnoloogiate evolutsiooni kohta, mille peamine mootor on inimene, tema uurimistööd ja leiutised. Täna tutvume uurimistööga, mis autorite arvates on tõeline evolutsiooniline hüpe nanotööstuses. Kuidas õnnestus Northwesteri ülikooli teadlastel luua uus kahemõõtmeline heterostruktuur, miks valiti aluseks grafen ja borofen ning milliseid omadusi võib selline süsteem omada? Selle kohta räägib meile uurimisrühma ettekande. Alustame.
Uuringu alus
Me oleme kuulnud terminit „grafen“ juba palju kordi — see on kahemõõtmeline süsiniku modifikatsioon, mis koosneb ühe aatomi paksusest süsinikuaatomite kihist. Samas esineb „borofen“ äärmiselt harva. See termin viitab kahemõõtmelisele kristallile, mis koosneb ainusast boori (B) aatomitest. Borofeni olemasolu võimalus ennustati esmakordselt 90-ndate keskel, kuid selle struktureeritud saamine õnnestus praktikas alles 2015. aastal.
Borofeni aatomistruktuur koosneb kolmnurksetest ja kuusnurksest elementidest ning on tingitud kahe keskme ja mitme keskme vahelisest tasapinnast sidekoostööst, mis on väga iseloomulik elementidele, millel on elektronide puudus, nagu boor.
*Kahe keskme ja mitme keskme vaheliste sidemete all mõistetakse keemilisi sidemeid — aatomite vahelisi interaktsioone, mis iseloomustavad molekuli või kristalli stabiilsust kui ühte struktuuri. Näiteks kahe keskme kahe elektroniga side tekib siis, kui kaks aatomit jagavad omavahel kahe elektroni, ja kahe keskme kolme elektroniga side tekib siis, kui kaks aatomit jagavad kolme elektroni jne.
Füüsilisest vaatenurgast võib borofen olla tugevam ja paindlikum kui grafiit. Samuti peetakse borofeni struktuure tõhusaks täienduseks akudele, kuna borofenil on kõrge spetsiifiline mahtuvus ning unikaalsed elektronjuhtivuse ja ioonülekande omadused. Siiski on see praegu vaid teooria.
Olles kolmeelementne*, on booril vähemalt 10 allotroopi*. Kahes mõõtmes täheldatakse sarnast polümorfismi* ka.
Kolmelementne* on võimeline moodustama kolme kovalentset sidet, mille valentsus on kolm.
Allotroopia* on olukord, kus üks keemiline element võib esindada kaht või enam lihtainet. Näiteks süsinik — teemandina, grafiidina, grafiittoru, süsiniknanotorud jne.
Polümorfism* on aine võime eksisteerida erinevates kristallstruktuurides (polümorfsed modifikatsioonid). Lihtainete puhul on see termin sünonüüm allatroopiale.
Tänu nii laiale polümorfismile on põhjust arvata, et borofen võib olla suurepärane kandidaat uute kaherealiste heterostruktuuride loomisel, sest erinevad boori sidemete konfiguratsioonid peaksid hõlbustama kristallvõrgu kooskõlastamise nõudeid. Kahjuks on seda teemat varem uuritud ainult teooria tasandil, kuna sünteesi keerukus on takistanud praktilisi katseid.
Tavapäraste 2D materjalide puhul, mis on saadud mahulistest kihilistest kristallidest, saab vertikaalseid heterostruktuure ellu viia mehaanilise paigaldamise abil. Teisalt põhinevad kaherealised lateraalsed heterostruktuurid ülessuurendatud sünteesil. Aatomitäpne lateraalne heterostruktuur on suure potentsiaaliga heteroülemineku funktsionaliteedi juhtimise probleemide lahendamiseks, kuid kovalentsete sidemete tõttu viib ebaõige kristallvõrgu kooskõlastamine tavaliselt laialdaste ja järkjärguliste liidesteni. Seetõttu on potentsiaal olemas, kuid sellega kaasnevad ka rakendamisprobleemid.
Selles töös suutsid teadlased integreerida borofeni ja grafeeni ühte kahe mõõtmega heterostruktuuri. Hoolimata kristallvõre ja sümmeetri mittesobivusest borofeni ja grafeeni vahel, viib süsiniku ja boori järjestikune sadestamine Ag(111) substraadi peale ülihea vaakumi (UHV) tingimustes peaaegu aatomikohase täpsusega lateraalse hetero-liidete loomise ning prognoositavate võrejoonte ühtlustamiseni, samuti vertikaalsete heteroliidete tekkimiseni.
Uuringuks ettevalmistamine
Enne heterostruktuuri uurimist tuli see valmistada. Grafeeni ja borofeni kasv toimus ülihea vaakumi kambris, mille rõhk oli 1x10-10 millibar.
Monokristalliline substraat Ag(111) puhastati korduvate Ar+ (1 x 10-5 millibar, energia 800 eV, 30 minutit) pihustustsüklite ja termilise lõdvendamise (550 °C, 45 minutit) abil, kuni saavutati aatomipuhas ja tasane Ag(111) pind.
Grafeeni kasvatamine toimus puhta (99,997%) 2,0 mm läbimõõduga grafiidist varraste elektronkiirte aurustamise teel, kuumutatud 750 °C temperatuurini hõbe (111) substraadi peale, valmisolekuga ~ 1,6 A ja kiiruspingega ~ 2 kV, mis annab emissioonivoolu ~ 70 mA ja süsinikuvoolu ~ 40 nA. Kambris oli rõhk 1 x 10-9 millibaar.
Borofeeni kasvatamine toimus puhta (99,9999%) boorivarraste elektronkiirte aurustamise teel, kuumutatud 400-500 °C temperatuurini submonokihilise grafeeni peale hõbe (111). Põlemisvool oli ~ 1,5 A ja kiiruspingutus 1,75 kV, mis annab emissioonivoolu ~ 34 mA ja boorivoolu ~ 10 nA. Kambris oli borofeeni kasvatamise ajal rõhk umbes 2 x 10-10 millibaar.
Uuringu tulemused
Pilt nr 1
Pildil 1A kuvatud STM* kasvatatud grafeeni foto, kus grafeeni domeene visualiseeritakse kõige paremini kaardiga dI/dV (1B), kus I ja V — tunnelivool ja proovi nihke, ja d — tihedus.
STM* — skaneeriv tunnel-mikroskoop.
dI/dV proovikaardid näitasid, et grafiidi kohalike seisundite tihedus on võrreldes Ag (111) substraadiga kõrgem. Varasemate uuringute kohaselt on Ag (111) pinnaseisundil astmeline iseloom, mis on nihkunud positiivsete energiade suunas dI/dV grafiidi spektris (1C), mis selgitab kõrgemat kohalike seisundite tihedust grafiidil 1B 0.3 eV juures.
Pildil 1D näeme ühes kihis grafeeni struktuuri, kus on selgelt nähtav rakkude korvus ja mozaik*.
Ülemineku* on kristallilise aine struktuuri omadus, mis kordub kindla intervalliga ja loob seega uue struktuuri teise vaheldumise perioodiga.
Mozaik* on kahte perioodilist võrgupinda üksteise peale asetamine.
Madalamatel temperatuuridel kasv toob kaasa dendriitsete ja defektsed grafeeni domeenide tekkimise. Grafeeni ja allpool oleva substraadi vaheliste nõrkade interaktsioonide tõttu ei ole grafeeni pööramine allpool oleva Ag (111) suhtes ainulaadne.
Pärast booriga kaetud skaneerivat tunnelmikroskoopiat (1E) näitas borofeno ja grafiini domeenide olemasolu. Samuti on pildil nähtavad grafiini sees asuvad alad, mis hiljem määrati borofeniga interkaliseeritud grafiiniks (pildil tähistatud) Gr/B). Selles piirkonnas on hästi nähtavad ka kolmes suunas suunatud joonelised elemendid, mis on eraldatud 120 ° nurga all (kollased nooled).
Pilt nr 2
Pilt näitab 2A, nagu ka 1E, kinnitavad lokaliseeritud tumedate madalike (depressioonide) ilmumist grafiinis pärast boori sadestumist.
Nende moodustiste paremaks uurimiseks ja nende päritolu väljaselgitamiseks tehti veel üks pilt samast piirkonnast, kuid kasutades kaarte |dlnI/dz| (2В), где I — tunnelivool, d — tihedus, ja z — sondi-proovi eraldamine (vahemaa mikroskoobi nõela ja proovi vahel). Selle meetodi kasutamine võimaldab saada kõrgema ruumilise eraldusvõimega pilte. Samuti võib selle jaoks kasutada CO või H2 mikroskoobi nõelal.
Pilt 2C on pilt, mis on saadud STM abil, mille nõel oli kaetud CO-ga. Piltide võrdlemine A, V ja C näitab, et kõik aatomaarsete elemendid defineeritakse kui kolm kõrvuti asetsevat eredat kuuekülge, mis on suunatud kahte mitteekvivalentset suunda (punased ja kollased kolmnurgad piltidel).
Selle ala suurendatud pildid (2D) kinnitavad, et need elemendid on kooskõlas boori seadistavate lisanditega, mis paiknevad kahes grafeeni alaruumis, millele viitavad ka kattuvad struktuurid.
CÓ kattega mikroskoobi nõel võimaldas tuvastada borofeeni lehe geomeetrilist struktuuri (2E), mis oleks standardse (metallilise) nõelaga katte puudumisel võimatu.
Pilt nr 3
Lateralsete hetero-liidete vormumine borofeeni ja grafeeni vahel (3A) peaks toimuma juhul, kui borofeen kasvab grafeeni domeenide kõrval, kus juba on boori.
Teadlased meenutavad, et lateraalsed heterointerfreesid, mis on valmistatud grafen-hBN (grafen + booritraat), omavad ruutude ühtsust, samas kui üleminekud, mis põhinevad ülemineku metallide dihalogeniididel, omavad sümmeetri ühtsust. Grafeni/borofeni puhul on olukord pisut teine — neil on minimaalselt struktuurset sarnasust rakkude konstantide või kristalliliste sümmeetri vaatenurgast. Siiski, vaatamata sellele, demonstreerib lateraalne heterointerfeers grafen/borofeni praktiliselt ideaalset aatomite ühtsust, samas kui boori (B-row) suunad on joondatud grafeni (ZZ) sakilised suunad.3ANäidatud 3B on suurendatud pilt ZZ heterointerfeeri alast (siniste joontega on märgitud vahefaaside elemendid, mis vastavad boor-süsivesiniku kovalentsetele sidemetele).
Kuna borofeni kasvu toimub madalamal temperatuuril võrreldes grafeeniga, on grafeeni domeeni servadel tõenäoliselt madal liikuvus borofeni ja grafeeni heterointerfaani moodustamisel. Seega, peaaegu aatomit täpselt heterointerfaas on tõenäoliselt erinevate konfigureerimiste ja boori mitmekesksete sidemete omaduste tulemus. Skaneeriva tunneli spektroskoopia spektrid (3C) ja diferentsiaalne tunnelikanalite juhtivus (3D) näitavad, et elektronide üleminek grafeenist borofeni toimub umbes 5 Å kaugusel, ilma nähtavate interfaaasi olekute olemasoluta.
Pildil 3E on näidatud kolm skaneeriva tunnelispektroskoopia spektrit, mis on tehtud kolme katkise joone mööda 3D-s, kinnitades, et see lühike elektronide üleminek ei ole tundlik kohalike vahefaasistruktuuride suhtes ja on võrreldav borofeni ja hõbeda piiril esineva üleminekuga.
Joonis №4
Grafeeni interkalatsioon* oli samuti varem laialdaselt uuritud, kuid interkalantide muutumine tõeliseks 2D-lehtedeks on suhteliselt haruldane nähtus.
Interkalatsioon* — molekuli või molekuli rühma pöörduv sisenemine teiste molekulide või molekuli rühmade vahel.
Boori väike aatomiradius ja nõrk interaktsioon grafeeni ja Ag (111) vahel viitavad grafeeni võimalikule interkalatsioonile booriga. Pildil 4A on esitatud tõendid mitte ainult boori interkalatsiooni, vaid ka vertikaalsete borofeni-grafeeni heterostruktuuride, eelkõige grafeeni ümbritsetud kolmnurksete domeenide, moodustumise kohta. Selle kolmnurkse domeeni kohalolev rakkude väli kinnitab grafeeni olemasolu. Siiski näitab see grafeen, et sellel on madalam kohaliku olekute tihedus -50 meV võrreldes ümbritseva grafeeniga (4B). Võrreldes grafeeniga otse Ag (111) peal, kõrge kohaliku olekute tiheduse puudumise tunnuseid spektris dI/dV (4C, sinine kõver), mis vastab Ag (111) pinnaseisundi olemusele, on esimene tõend boori interkalatsioonist.
Nagu ootasin osalise interkalatsiooni puhul, jääb grafeeni võre üle kogu külgsuunalise liidese grafeeni ja kolmnurga piirkonna vahel pidevaks (4D — vastab ristkülikukujulisele alale 4A, punase katkise jooniga piiratud). Mikroskoobi nõela pildistamine koos SO-iga kinnitas ka boori asendavate lisandite olemasolu (4E — vastab ristkülikukujulisele alale 4A, kollase katkise jooniga piiratud).
Analüüsi käigus kasutati ka mikroskoobi nõelu, millel ei olnud katet. Sel juhul tuvastati interkalatsioonilistes grafiini domeenides üheraliste lineaarsete elementide märke, mille perioodiks oli 5 Å (4F ja 4G). Need üheulatuslikud struktuurid meenutavad boori järjestust borofena mudelis. Lisaks grafiini vastavatele punktide kogumile näitab pildi Fourier' teisendus 4G paar ortogonaalset punkti, mis vastavad ristkülikulise võre suurusele 3 Å x 5 Å (4H), mis sobib suurepäraselt borofena mudeliga. Lisaks sellele jälgitav lineaarsete elementide võre kolmekordne orientatsioon (1E) sobib hästi sama domineeriva struktuuriga, mida on täheldatud borofena lehtedel.
Kõik need tähelepanekud tõendab veenvalt borofeni interkalatsiooni grafeenis Ag-i servade lähedal, mis omakorda viib borofeni-grafeeni vertikaalsete heterostruktuuride tekkimiseni, mida saab peamiselt ellu viia algse grafeeni katte suurendamise teel.
4I on vertikaalse heterostruktuuri mõõteline esitus 4H, kus boori rida suund (roosa noolt) on peaaegu joondatud grafeeni (must nool) sakilise suunaga, moodustades seeläbi pöörlemisühtse vertikaalse heterostruktuuri.
Kuna soovid teema nüanssidega lähemat tutvust teha, soovitame vaadata ja selle juurde.
Epilog
See uuring näitas, et borofen suudab tõhusalt moodustada lateraalseid ja vertikaalseid heterostruktuure grafeeni ka. Taolisi süsteeme saab kasutada uute kahe mõõtmega elementide arendamisel, mida rakendatakse nanotehnoloogias, paindlikus ja kantavas elektroonikas, samuti uutes pooljuhtide tüüpides.
Teadlased usuvad, et nende arendused võivad anda olulise edasiviiva jõu elektroonikaga seotud tehnoloogiatele. Siiski on raske kindlalt öelda, kas nende sõnad osutuvad prohvetlikeks. Praegu on veel palju uurida, mõista ja leiutada, et need teaduslikud fantaasiad, mis teadlaste mõtteid täidavad, saaksid reaalsuseks.
Aitäh tähelepanu eest, jääge uudishimulikkuks ja head kõigile töönädalat, sõbrad. 🙂
Aitäh, et olete meiega. Kas teile meeldivad meie artiklid? Kas soovite näha rohkem huvitavaid materjale? Toetage meid, tehes tellimuse või soovitades meid tuttavatele. 30% soodustus Habra kasutajatele meie ainulaadsetelt entry-level serveritelt, mis on loodud just teile: (saadaval on RAID1 ja RAID10 variandid, kuni 24 südamikku ja kuni 40GB DDR4).
Dell R730xd kaks korda odavam? Ainult meie juures Hollandi turul! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — alates $99! Lugege, kuidas
Allikas: habr.com
