«Mutazioa eboluzioaren misterioa argitzeko gakoa da. Organismo sinpleenetik espezie biologiko nagusira garatzeko bideak milaka urte irauten du. Baina ehun mila urtean behin jauzi handia ematen da bilakaeran" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Komikietan eta filmetan dauden zientzia-fikziozko elementu guztiak baztertzen baditugu, X irakaslearen hitzak egiazkoak dira. Zerbaiten garapena berdin gertatzen da gehienetan, baina batzuetan prozesu osoan eragin handia duten jauziak daude. Espezieen bilakaerari ez ezik, teknologiaren bilakaerari ere balio du, zeinaren eragile nagusia pertsonak, haien ikerketak eta asmakizunak. Gaurkoan, bere egileen arabera, nanoteknologiaren benetako jauzi ebolutiboa den ikerketa bat ezagutuko dugu. Nola lortu zuten Northwestern Unibertsitateko (AEB) zientzialariek bi dimentsioko heteroegitura berri bat sortzea, zergatik aukeratu ziren grafenoa eta borofenoa oinarri gisa, eta zer propietate izan ditzake sistema horrek? Ikerketa taldearen txostenak horren berri emango digu. Zoaz.
Ikerketaren oinarria
"Grafenoa" terminoa askotan entzun dugu; karbonoaren bi dimentsioko aldaketa bat da, atomo 1 lodierako karbono atomoen geruzaz osatua. Baina "borofen" oso arraroa da. Termino honek boro (B) atomoz soilik osatutako bi dimentsioko kristal bati egiten dio erreferentzia. Borofenoaren existentziaren aukera 90eko hamarkadaren erdialdean aurreikusten zen lehen aldiz, baina praktikan egitura hori 2015erako bakarrik lortu zen.
Borofenoaren egitura atomikoa elementu triangeluar eta hexagonalez osatuta dago eta planoan bi zentroko eta zentro anitzeko loturen arteko elkarreraginaren ondorioa da, oso ohikoa dena elektroi gabezia duten elementuentzat, boroa barne.
*Bi zentroko eta zentro anitzeko loturak lotura kimikoak esan nahi dugu: molekula edo kristal baten egonkortasuna egitura bakar gisa ezaugarritzen duten atomoen elkarrekintzak. Adibidez, bi zentroko bi elektroi lotura 2 atomok 2 elektroi partekatzen dutenean eta bi zentroko hiru elektroi lotura gertatzen da 2 atomo eta 3 elektroi, etab.
Ikuspegi fisikotik, borofenoa grafenoa baino indartsuagoa eta malguagoa izan daiteke. Gainera, uste da borofenoaren egiturak baterien osagarri eraginkorra izan daitezkeela, borofenoak gaitasun espezifiko handia eta eroankortasun elektronikoa eta ioi-garraio propietate bereziak dituelako. Hala ere, momentuz hau teoria bat besterik ez da.
izatea elementu tribalente*, boroak 10 ditu gutxienez alotropoak*. Bi dimentsioko forman, antzekoa polimorfismoa* ere ikusten da.
Elementu tribalente* hiru lotura kobalente eratzeko gai da, eta horien balentzia hirukoa da.
Alotropia* - elementu kimiko bat bi substantzia bakun edo gehiagotan aurkez daitekeenean. Adibide gisa, karbonoa - diamantea, grafenoa, grafitoa, karbono nanohodiak, etab.
Polimorfismoa* - substantzia batek egitura kristalino ezberdinetan egoteko duen gaitasuna (aldaketa polimorfikoak). Substantzia bakunen kasuan, termino hau alotropiaren sinonimoa da.
Polimorfismo zabal hori kontuan hartuta, borofenoa bi dimentsioko heteroegitura berriak sortzeko hautagai bikaina izan daitekeela iradokitzen da, boro-loturaren konfigurazio ezberdinek sarearen parekatze-eskakizunak lasaitu beharko lituzketelako. Zoritxarrez, gai hau lehen maila teorikoan soilik aztertzen zen sintesiaren zailtasunak zirela eta.
Solean geruzatutako kristaletatik lortutako 2D material konbentzionaletarako, metaketa mekanikoa erabiliz heteroegitura bertikalak egin daitezke. Bestalde, bi dimentsioko alboko heteroegiturak behetik gorako sintesian oinarritzen dira. Atomikoki zehatzak alboko heteroegiturak potentzial handia dute heterojunkzioen kontrol funtzionalaren arazoak konpontzeko, hala ere, lotura kobalentearen ondorioz, sarearen parekatze inperfektuak normalean interfaze zabalak eta desordenatuak sortzen ditu. Hortaz, potentziala badago, baina horretaz jabetzeko arazoak ere badaude.
Lan honetan, ikertzaileek borofenoa eta grafenoa bi dimentsioko heteroegitura batean integratzea lortu zuten. Borofenoaren eta grafenoaren arteko sare kristalografikoen desadostasuna eta simetria egon arren, karbonoaren eta boroaren jalkipen sekuentzialak Ag(111) substratu batean ultra-hutsean (UHV) ia atomikoki zehatzak diren heterointerfazeak sortzen ditu sarearen lerrokadurak aurreikusitako sarearen lerrokadurarekin, baita heterointerfaze bertikalak ere. .
Ikasketa prestatzea
Heteroegitura aztertu aurretik, fabrikatu egin behar zen. Grafenoaren eta borofenoaren hazkuntza 1x10-10 milibarko presioa duen huts ultra-altuko ganbera batean egin zen.
Kristal bakarreko Ag(111) substratua Ar+ sputtering (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minutu) eta erretiro termikoa (550 °C, 45 minutu) ziklo errepikatuen bidez garbitu zen, atomikoki garbi eta laua Ag() lortzeko. 111) azalera. .
Grafenoa 99,997 mm-ko diametroa duen grafitozko haga huts baten (% 2.0) elektroi-sorta lurrunduz hazi zen 750 °C-ra berotutako Ag (111) substratu batean ~ 1.6 A-ko berokuntza-korrontearekin eta ~ 2 kV-ko azelerazio-tentsioarekin. , ~ 70 mA-ko igorpen-korrontea eta karbono-fluxua ~40 nA ematen duena. Ganbaran presioa 1 x 10-9 milibarkoa zen.
Borofenoa boro-hastaka puru baten (% 99,9999) elektroi izpiaren lurrunketaren bidez hazi zen 400-500 °C-tan berotutako Ag (111) azpimonogeruzako grafenoan. Harizpi-korrontea ~1.5 A zen eta azelerazio-tentsioa 1.75 kV-koa, eta horrek ~34 mA-ko igorpen-korrontea eta ~10 nA-ko boro-fluxua ematen du. Borofenoaren hazkuntzan ganberan zegoen presioa 2 x 10-10 milibarkoa izan zen gutxi gorabehera.
Ikerketaren emaitzak
Irudia #1
Irudian 1A erakutsi STM* hazitako grafenoaren argazkia, non grafenoaren domeinuak hobekien ikusten diren mapa baten bidez dI/dV (1V), non I и V tunel-korrontea eta laginaren desplazamendua dira, eta d - dentsitatea.
STM* — Mikroskopio-tunelezko eskaneaketa.
dI/dV laginaren mapek grafenoaren egoeren tokiko dentsitate handiagoa ikusteko aukera eman ziguten Ag(111) substratuarekin alderatuta. Aurreko ikerketen arabera, Ag (111) gainazaleko egoerak urrats-ezaugarri bat du, energia positiboetara desplazatuta. dI/dV grafenoaren espektroa (1S), grafenoaren on-egoeren tokiko dentsitate handiagoa azaltzen duena 1V 0.3 eV-tan.
Irudian 1D geruza bakarreko grafenoaren egitura ikus dezakegu, non abaraska-sareak eta moiré gainegitura*.
gainegitura* - tarte jakin batean errepikatzen den konposatu kristalino baten egituraren ezaugarri bat, eta horrela alternantzia-periodo ezberdineko egitura berri bat sortzen duena.
Moire* - Sare periodikoko bi eredu elkarren gainean jartzea.
Tenperatura baxuagoetan, hazkuntzak grafeno-domeinu dendritiko eta akastunak sortzea dakar. Grafenoaren eta azpiko substratuaren arteko interakzio ahulak direla eta, grafenoaren errotazio lerrokatzea azpiko Ag(111)arekiko ez da bakarra.
Boroa jalki ondoren, miaketa tunelaren mikroskopia (1E) borofenoaren eta grafenoaren domeinuen konbinazio baten presentzia erakutsi zuen. Irudian ere ikusten dira grafenoaren barruko eskualdeak, geroago borofenoarekin tartekaturiko grafeno gisa identifikatu zirenak (irudian adierazitakoa). Gr/B). Hiru norabidetan orientatutako eta 120°-ko angelu batez bereizitako elementu linealak ere argi ikusten dira eremu honetan (gezi horiak).
Irudia #2
Argazkia 2ABezala 1E, grafenoan depresio ilun lokalizatuen agerpena berresten dute boroa jalki ondoren.
Formazio hauek hobeto aztertu eta haien jatorria ezagutzeko, eremu bereko beste argazki bat atera zen, baina mapak erabiliz |dlnI/dz| (2B), non I - tunelaren korrontea, d dentsitatea da, eta z — zunda-laginaren bereizketa (mikroskopioko orratzaren eta laginaren arteko tartea). Teknika honen erabilerak bereizmen espazial handiko irudiak lortzeko aukera ematen du. Mikroskopioko orratzean CO edo H2 ere erabil dezakezu horretarako.
Изображение 2S punta COz estalitako STM bat erabiliz lortutako irudia da. Irudien konparaketa А, В и С elementu atomiko guztiak ondoko hiru hexagono distiratsu gisa definitzen direla erakusten du, baliokide ez diren bi norabidetan (argazkietan triangelu gorria eta horia).
Eremu honetako irudi handituak (2D) elementu hauek boro dopatzailearen ezpurutasunekin bat datozela baieztatzen dute, bi grafeno-sareak okupatuz, gainjarritako egiturek adierazten duten moduan.
Mikroskopioko orratzaren CO estaldurak borofeno-xaflaren egitura geometrikoa agerian utzi zuen (2E), ezinezkoa izango litzateke orratza estandarra (metalezkoa) izango balitz CO estaldurarik gabe.
Irudia #3
Borofenoaren eta grafenoaren arteko alboko heterointerfazeen eraketa (3A) borofenoa dagoeneko boroa duten grafeno-domeinuen ondoan hazten denean gertatu beharko litzateke.
Zientzialariek gogorarazten dute grafeno-hBNn (grafenoa + boro nitruroa) oinarritutako heterointerfaze alboek sarearen koherentzia dutela eta trantsizio metaleko dikalkogenuroetan oinarritutako heterojunkzioek simetria-koherentzia dutela. Grafeno/borofenoaren kasuan, egoera zertxobait ezberdina da: egitura-antzekotasun minimoa dute sareko konstanteei edo kristalen simetriari dagokionez. Hala ere, hala ere, alboko grafenoa/borofenoaren heterointerfazeak koherentzia atomiko ia perfektua erakusten du, boro-lerroa (B-lerroa) norabideak grafenoaren sigi-saga (ZZ) norabideekin lerrokatuta (3A). On 3V heterointerfazearen ZZ eskualdearen irudi handitua erakusten da (lerro urdinek boro-karbono lotura kobalenteei dagozkien interfaze-elementuak adierazten dituzte).
Borofenoa grafenoarekin alderatuta tenperatura baxuagoan hazten denez, grafenoaren domeinuaren ertzek nekez izango dute mugikortasun handia borofenoarekin heterointerfazea osatzerakoan. Hori dela eta, ia atomikoki zehatza den heterointerfazea gune anitzeko boro-loturen konfigurazio eta ezaugarri ezberdinen ondorioa da. Espektroskopia tunelaren eskaneatze espektroak (3S) eta tunelaren eroankortasun diferentziala (3D) erakusten dute grafenotik borofenorako trantsizio elektronikoa ~ 5 Å-ko distantzian gertatzen dela interfaze-egoera ikusgairik gabe.
Irudian 3E 3Dko hiru lerro etenetan zehar hartutako hiru tunel-espektroskopia-espektro erakusten dira, trantsizio elektroniko labur hori aurpegi-egitur lokalekiko sentikorra ez dela eta borofeno-zilarrezko interfazeen parekoa dela baieztatzen dutenak.
Irudia #4
Grafenoa elkarrekikotasuna* aurretik ere oso aztertua izan da, baina intercalants benetako 2D xafletan bihurtzea nahiko arraroa da.
Interkalazioa* - Molekula edo molekula talde bat beste molekula edo molekula talde batzuen artean sartzea itzulgarria.
Boroaren erradio atomiko txikiak eta grafenoaren eta Ag(111) arteko elkarreragin ahulak grafenoa boroarekin elkarretaratze posiblea iradokitzen du. Irudian 4A Boroaren arteko elkarketa ez ezik, borofeno-grafeno heteroegitura bertikalen eraketa ere aurkezten da, batez ere grafenoz inguratutako domeinu triangeluarrak. Domeinu triangeluar honetan ikusitako abaraska-sareak grafenoaren presentzia baieztatzen du. Hala eta guztiz ere, grafeno honek -50 meV-ko estatuen dentsitate lokal txikiagoa erakusten du inguruko grafenoarekin alderatuta (4V). Ag (111) zuzenean grafenoarekin alderatuta, ez dago espektroan estatuen dentsitate lokal handiaren frogarik. dI/dV (4C, kurba urdina), Ag(111) gainazaleko egoerari dagokiona, boroaren arteko interkalazioaren lehen froga da.
Gainera, interkalazio partzialerako espero den bezala, grafeno-sareak etengabe jarraitzen du grafenoaren eta eskualde triangelurraren arteko alboko interfazean (4D - eremu angeluzuzen bati dagokio 4A, marra gorrian borobilduta). Mikroskopioko orratz batean CO erabiliz egindako irudi batek boro ordezkatzeko ezpurutasunen presentzia ere baieztatu zuen (4E - eremu angeluzuzen bati dagokio 4A, puntu horiz inguratuta).
Estaldurarik gabeko mikroskopioko orratzak ere erabili ziren analisian. Kasu honetan, 5 Å-ko aldizkakotasuna duten dimentsio bakarreko elementu linealen zeinuak agertu ziren interkalatutako grafeno-domeinuetan (4F и 4G). Dimentsio bakarreko egitura hauek borofenoaren ereduko boro errenken antza dute. Grafenoari dagozkion puntu multzoaz gain, irudiaren Fourier transformatua 4G 3 Å x 5 Å sare angeluzuzen bati dagozkion puntu ortogonal pare bat erakusten du (4H), borofenoaren ereduarekin bat datorrena. Gainera, elementu linealen arrayaren orientazio hirukoitza ikusitakoa (1E) ondo bat dator borofenozko xafletan ikusitako egitura nagusi berarekin.
Behaketa hauek guztiak biziki iradokitzen dute grafenoaren borofenoaren arteko elkarketa Ag-ren ertzetatik gertu, eta, ondorioz, borofeno-grafeno heteroegitura bertikalak sortzea dakar, eta hori abantailatsu gauza daiteke grafenoaren hasierako estaldura handituz.
4I gainean heteroegitura bertikal baten irudikapen eskematiko bat da 4H, non boro-lerroaren (gezi arrosa) norabidea grafenoaren sigi-saga-norabidearekin (gezi beltza) estuki lerrokatzen den, horrela biraketa proportzionala duen heteroegitura bertikal bat osatuz.
Ikerketaren ñabardurak zehatzago ezagutzeko, begiratzea gomendatzen dut и berari.
Epilogoa
Azterketa honek erakutsi zuen borofenoa grafenoarekin alboko eta bertikalak heteroegiturak eratzeko nahiko gai dela. Sistema horiek nanoteknologian erabiltzen diren bi dimentsioko elementu mota berrien garapenean erabil daitezke, elektronika malgu eta jantzigarrian, baita erdieroale mota berriak ere.
Ikertzaileek beraiek uste dute haien garapena elektronikarekin lotutako teknologietarako bultzada indartsua izan daitekeela. Hala ere, oraindik zaila da ziur esatea haien hitzak profetiko bihurtuko direla. Momentu honetan, oraindik asko dago ikertu, ulertu eta asmatzeko, zientzialarien adimena betetzen duten zientzia-fikziozko ideia horiek erabateko errealitate bihur daitezen.
Eskerrik asko irakurtzeagatik, egon jakin-mina eta ondo pasa astea lagunok. 🙂
Eskerrik asko gurekin geratzeagatik. Gustuko dituzu gure artikuluak? Eduki interesgarri gehiago ikusi nahi? Lagun iezaguzu eskaera bat eginez edo lagunei gomendatuz, % 30eko deskontua Habr erabiltzaileentzat sarrera-mailako zerbitzarien analogo berezi batean, guk zuk asmatu duguna: (RAID1 eta RAID10-ekin erabilgarri, 24 nukleoraino eta 40 GB DDR4 arte).
Dell R730xd 2 aldiz merkeagoa? Hemen bakarrik Herbehereetan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 $-tik aurrera! Irakurri buruz
Iturria: www.habr.com