دوتایی دوبعدی: ایجاد هتروساختارهای بوروفن-گرافن

"جهش کلید کشف راز تکامل است. مسیر رشد از ساده ترین موجودات زنده تا گونه های بیولوژیکی غالب هزاران سال طول می کشد. اما هر صد هزار سال یک جهش تند رو به جلو در تکامل رخ می دهد» (چارلز خاویر، مردان ایکس، 2000). اگر تمام عناصر علمی-تخیلی موجود در کمیک ها و فیلم ها را کنار بگذاریم، سخنان پروفسور X کاملا درست است. توسعه یک چیزی بیشتر اوقات به طور مساوی پیش می رود، اما گاهی اوقات پرش هایی وجود دارد که تأثیر زیادی بر کل فرآیند دارد. این نه تنها در مورد تکامل گونه ها، بلکه در مورد تکامل فناوری نیز صدق می کند، که محرک اصلی آن مردم، تحقیقات و اختراعات آنها هستند. امروز با مطالعه ای آشنا می شویم که به گفته نویسندگان آن یک جهش تکاملی واقعی در فناوری نانو است. چگونه دانشمندان دانشگاه نورث وسترن (ایالات متحده آمریکا) موفق به ایجاد یک ساختار ناهمسان دو بعدی جدید شدند، چرا گرافن و بوروفن به عنوان پایه انتخاب شدند و چنین سیستمی چه ویژگی هایی می تواند داشته باشد؟ گزارش گروه پژوهشی در این باره به ما خواهد گفت. برو

مبنای تحقیق

اصطلاح گرافن را بارها شنیده‌ایم؛ این اصلاح دو بعدی کربن است که از لایه‌ای از اتم‌های کربن به ضخامت یک اتم تشکیل شده است. اما "بوروفن" بسیار نادر است. این اصطلاح به یک کریستال دو بعدی اشاره دارد که فقط از اتم های بور (B) تشکیل شده است. احتمال وجود بوروفن برای اولین بار در اواسط دهه 1 پیش بینی شد، اما در عمل فقط تا سال 90 می توان این ساختار را به دست آورد.

ساختار اتمی بوروفن متشکل از عناصر مثلثی و شش ضلعی است و نتیجه برهمکنش بین پیوندهای دو مرکزی و چند مرکزی در صفحه است که برای عناصر دارای کمبود الکترون که شامل بور نیز می شود بسیار معمول است.

*منظور ما از پیوندهای دو مرکزی و چند مرکزی، پیوندهای شیمیایی است - فعل و انفعالات اتم هایی که پایداری یک مولکول یا کریستال را به عنوان یک ساختار واحد مشخص می کند. به عنوان مثال، پیوند دو الکترونی دو مرکزی زمانی رخ می دهد که 2 اتم 2 الکترون به اشتراک بگذارند، و پیوند سه الکترونی دو مرکزی زمانی رخ می دهد که 2 اتم و 3 الکترون و غیره وجود داشته باشد.

از نقطه نظر فیزیکی، بوروفن ممکن است قوی تر و انعطاف پذیرتر از گرافن باشد. همچنین اعتقاد بر این است که ساختارهای بوروفن می توانند مکمل موثری برای باتری ها باشند، زیرا بوروفن دارای ظرفیت ویژه بالا و رسانایی الکترونیکی منحصر به فرد و خواص انتقال یون است. با این حال، در حال حاضر این فقط یک نظریه است.

وجود عنصر سه ظرفیتی*، بور حداقل 10 دارد آلوتروپ*. به صورت دو بعدی، مشابه پلی مورفیسم* نیز مشاهده می شود.

عنصر سه ظرفیتی* قادر به تشکیل سه پیوند کووالانسی است که ظرفیت آنها سه است.

آلوتروپی* - هنگامی که یک عنصر شیمیایی را می توان به شکل دو یا چند ماده ساده ارائه کرد. به عنوان مثال، کربن - الماس، گرافن، گرافیت، نانولوله های کربنی و غیره.

پلی مورفیسم* - توانایی یک ماده برای وجود در ساختارهای کریستالی مختلف (اصلاحات چند شکلی). در مورد مواد ساده، این اصطلاح مترادف با آلوتروپی است.

با توجه به این چندشکلی گسترده، پیشنهاد می‌شود که بوروفن ممکن است یک کاندید عالی برای ایجاد ساختارهای ناهم‌بعدی جدید باشد، زیرا پیکربندی‌های مختلف پیوند بور باید الزامات تطبیق شبکه را کاهش دهند. متأسفانه این موضوع قبلاً به دلیل مشکلات در سنتز منحصراً در سطح نظری مورد مطالعه قرار گرفته بود.

برای مواد دوبعدی معمولی که از کریستال‌های لایه‌ای حجیم به دست می‌آیند، ساختارهای ناهمگن عمودی را می‌توان با استفاده از انباشته شدن مکانیکی تحقق بخشید. از سوی دیگر، ساختارهای ناهمگون جانبی دو بعدی بر اساس سنتز از پایین به بالا هستند. هتروساختارهای جانبی دقیق اتمی پتانسیل زیادی در حل مشکلات کنترل عملکردی ناهمگونی دارند، با این حال، به دلیل پیوند کووالانسی، تطبیق شبکه ناقص معمولاً منجر به رابط های گسترده و نامنظم می شود. بنابراین، پتانسیل وجود دارد، اما در تحقق آن مشکلاتی نیز وجود دارد.

در این کار، محققان موفق به ادغام بوروفن و گرافن در یک ساختار ناهمسان دو بعدی شدند. علیرغم عدم تطابق شبکه کریستالوگرافیک و تقارن بین بوروفن و گرافن، رسوب متوالی کربن و بور بر روی یک بستر Ag(111) تحت خلاء فوق‌العاده بالا (UHV) منجر به ایجاد رابط‌های جانبی تقریباً دقیق اتمی با هم‌ترازی‌های شبکه پیش‌بینی‌شده عمودی و همچنین بیشتر می‌شود. .

آماده سازی برای تحقیق

قبل از مطالعه ساختار ناهمسان، باید ساخته می شد. رشد گرافن و بوروفن در یک محفظه خلاء فوق العاده بالا با فشار 1-10-10 میلی بار انجام شد.

بستر تک کریستالی Ag (111) با چرخه‌های مکرر کندوپاش Ar+ (1×10-5 میلی‌بار، 800 eV، 30 دقیقه) و بازپخت حرارتی (550 درجه سانتی‌گراد، 45 دقیقه) تمیز شد تا یک Ag (111 دقیقه) تمیز و مسطح اتمی به دست آید. XNUMX) سطح.

گرافن با تبخیر پرتو الکترونی یک میله گرافیتی خالص (99,997٪) با قطر 2.0 میلی متر روی یک بستر Ag (750) که تا دمای 111 درجه سانتیگراد با جریان گرمایش ~ 1.6 A و ولتاژ شتاب دهنده ~ 2 کیلو ولت گرم شده است رشد داده شد. ، که جریان انتشار 70 میلی آمپر و شار کربن ~40 نانو آمپر را می دهد. فشار در محفظه 1×10-9 میلی بار بود.

بوروفن از طریق تبخیر پرتو الکترونی یک میله بور خالص (99,9999٪) روی گرافن زیر تک لایه روی Ag (400) که در دمای 500-111 درجه سانتیگراد گرم شده بود، رشد کرد. جریان رشته 1.5 A و ولتاژ شتاب 1.75 کیلو ولت بود که جریان انتشار ~34 میلی آمپر و شار بور ~10 nA را می دهد. فشار در محفظه در طول رشد بوروفن تقریباً 2×10-10 میلی بار بود.

نتایج مطالعه

تصویر شماره 1

روی تصویر 1A نشان داده شده STM* یک عکس فوری از گرافن رشد یافته، که در آن حوزه های گرافن به بهترین شکل با استفاده از نقشه تجسم می شوند dI/dV (1V) کجا I и V جریان تونل و جابجایی نمونه و d - تراکم

STM* - میکروسکوپ تونل زنی روبشی

dI/dV نقشه‌های نمونه به ما اجازه می‌دهد تا چگالی محلی بالاتری از حالت‌های گرافن را در مقایسه با بستر Ag (111) ببینیم. مطابق با مطالعات قبلی، وضعیت سطحی نقره (111) دارای یک مشخصه پله ای است که توسط انرژی های مثبت تغییر می کند. dI/dV طیف گرافن (1S) که چگالی محلی بالاتر حالت های گرافن را توضیح می دهد 1V در 0.3 eV

روی تصویر 1D ما می توانیم ساختار گرافن تک لایه را ببینیم که در آن شبکه لانه زنبوری و روبنای موآره*.

روبنا* - ویژگی ساختار یک ترکیب کریستالی که در یک بازه زمانی مشخص تکرار می شود و بنابراین ساختار جدیدی با دوره تناوب متفاوت ایجاد می کند.

مور* - برهم نهی دو الگوی مش دوره ای روی هم.

در دماهای پایین تر، رشد منجر به تشکیل حوزه های دندریتی و گرافن معیوب می شود. به دلیل برهمکنش ضعیف بین گرافن و بستر زیرین، تراز چرخشی گرافن با توجه به Ag (111) زیرین منحصر به فرد نیست.

پس از رسوب بور، میکروسکوپ تونلی روبشی (1E) وجود ترکیبی از دامنه های بوروفن و گرافن را نشان داد. همچنین در تصویر، مناطقی در داخل گرافن قابل مشاهده است که بعداً به عنوان گرافن در هم آمیخته با بوروفن شناسایی شد (در تصویر نشان داده شده است. G/B). عناصر خطی در سه جهت و با زاویه 120 درجه از هم جدا شده اند نیز در این قسمت به وضوح قابل مشاهده هستند (فلش های زرد).

تصویر شماره 2

عکس روشن است 2Aمانند 1E، ظاهر فرورفتگی های تیره موضعی در گرافن پس از رسوب بور را تایید می کند.

برای بررسی بهتر این سازندها و پی بردن به منشأ آنها، عکس دیگری از همان منطقه گرفته شد اما با استفاده از نقشه |dln |I/dz| (2B)، که در آن I - جریان تونل، d چگالی است و z - جداسازی پروب از نمونه (شکاف بین سوزن میکروسکوپ و نمونه). استفاده از این تکنیک امکان به دست آوردن تصاویر با وضوح مکانی بالا را فراهم می کند. همچنین می توانید از CO یا H2 روی سوزن میکروسکوپ برای این کار استفاده کنید.

Изображение 2S تصویری است که با استفاده از یک STM که نوک آن با CO پوشانده شده است به دست آمده است. مقایسه تصاویر А, В и С نشان می دهد که همه عناصر اتمی به عنوان سه شش ضلعی درخشان مجاور که در دو جهت غیر هم ارز هدایت شده اند (مثلث های قرمز و زرد در عکس ها) تعریف می شوند.

تصاویر بزرگ شده از این منطقه (2D) تأیید می کند که این عناصر با ناخالصی های ناخالص بور مطابقت دارند و دو زیرشبکه گرافن را اشغال می کنند، همانطور که توسط ساختارهای روی هم نشان داده شده است.

پوشش CO سوزن میکروسکوپ امکان آشکارسازی ساختار هندسی ورقه بوروفن را فراهم می کند.2E) که اگر سوزن استاندارد (فلزی) بدون پوشش CO باشد غیرممکن خواهد بود.

تصویر شماره 3

تشکیل رابط های ناهمگون جانبی بین بروفن و گرافن (3A) باید زمانی رخ دهد که بوروفن در کنار حوزه‌های گرافنی که قبلاً حاوی بور هستند رشد کند.

دانشمندان یادآوری می‌کنند که هتروواسط‌های جانبی مبتنی بر گرافن-hBN (گرافن + نیترید بور) دارای قوام شبکه هستند و پیوندهای ناهمگون مبتنی بر دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه دارای قوام تقارن هستند. در مورد گرافن/بوروفن، وضعیت کمی متفاوت است - آنها از نظر ثابت های شبکه یا تقارن کریستالی دارای حداقل شباهت ساختاری هستند. با این حال، علی‌رغم این، رابط جانبی گرافن/بوروفن سازگاری اتمی تقریباً کاملی را نشان می‌دهد، با جهت‌های ردیف بور (ردیف B) که با جهت‌های زیگزاگ (ZZ) گرافن همسو هستند.3A) بر 3V یک تصویر بزرگ‌نمایی شده از ناحیه ZZ رابط ناهمگن نشان داده شده است (خطوط آبی عناصر سطحی مربوط به پیوندهای کووالانسی بور-کربن را نشان می‌دهد).

از آنجایی که بوروفن در مقایسه با گرافن در دمای پایین‌تری رشد می‌کند، بعید است که لبه‌های حوزه گرافن در هنگام تشکیل یک رابط هترو با بوروفن تحرک بالایی داشته باشند. بنابراین، رابط هتروواسط تقریباً دقیق اتمی احتمالاً نتیجه پیکربندی‌ها و ویژگی‌های مختلف پیوندهای بور چند سایتی است. طیف سنجی تونل زنی روبشی (3S) و هدایت تونل دیفرانسیل (3D) نشان می دهد که انتقال الکترونیکی از گرافن به بوروفن در فاصله ~5 Å بدون هیچ حالت رابط قابل مشاهده اتفاق می افتد.

روی تصویر 3E سه طیف طیف‌سنجی تونل زنی روبشی نشان داده شده‌اند که در امتداد سه خط چین به‌صورت سه بعدی گرفته شده‌اند، که تأیید می‌کنند که این انتقال الکترونیکی کوتاه به ساختارهای سطحی محلی حساس نیست و با رابط‌های بروفن-نقره قابل مقایسه است.

تصویر شماره 4

گرافن درج * همچنین قبلاً به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، اما تبدیل اینترکالانت ها به صفحات دو بعدی واقعی نسبتاً نادر است.

تلفیق* - گنجاندن برگشت پذیر یک مولکول یا گروهی از مولکول ها بین سایر مولکول ها یا گروه های مولکول.

شعاع اتمی کوچک بور و برهمکنش ضعیف بین گرافن و Ag (111) احتمال وجود گرافن با بور را نشان می‌دهد. در تصویر 4A شواهدی نه تنها از درون یابی بور، بلکه همچنین از تشکیل ناهمساختارهای عمودی بوروفن-گرافن، به ویژه حوزه های مثلثی احاطه شده توسط گرافن ارائه شده است. شبکه لانه زنبوری مشاهده شده در این حوزه مثلثی وجود گرافن را تایید می کند. با این حال، این گرافن در مقایسه با گرافن اطراف، چگالی موضعی کمتری را در مگا ولت -50 نشان می‌دهد.4V). در مقایسه با گرافن به طور مستقیم بر روی Ag(111)، هیچ مدرکی دال بر چگالی محلی بالای حالت ها در طیف وجود ندارد. dI/dV (4Cمنحنی آبی)، مربوط به حالت سطحی Ag(111)، اولین شواهد دال بر وجود بور است.

همچنین، همانطور که برای درون‌سازی جزئی انتظار می‌رود، شبکه گرافن در سرتاسر سطح مشترک جانبی بین گرافن و ناحیه مثلثی پیوسته باقی می‌ماند.4D - مربوط به یک منطقه مستطیل شکل در 4A، دایره شده در خط نقطه قرمز). یک تصویر با استفاده از CO بر روی سوزن میکروسکوپ نیز وجود ناخالصی های جایگزین بور را تایید کرد.4E - مربوط به یک منطقه مستطیل شکل در 4A، دایره شده در خط نقطه زرد).

سوزن های میکروسکوپ بدون هیچ پوششی نیز در طول آنالیز استفاده شد. در این مورد، نشانه هایی از عناصر خطی یک بعدی با تناوب 5 Å در حوزه های گرافن درهم آشکار شد.4F и 4G). این ساختارهای یک بعدی شبیه ردیف های بور در مدل بوروفن هستند. علاوه بر مجموعه ای از نقاط مربوط به گرافن، فوریه تصویر را به 4G یک جفت نقطه متعامد مربوط به یک شبکه مستطیل شکل 3 Å x 5 Å را نشان می دهد (4 ساعت) که با مدل بوروفن تطابق بسیار خوبی دارد. علاوه بر این، جهت سه گانه مشاهده شده آرایه عناصر خطی (1E) به خوبی با همان ساختار غالب مشاهده شده برای ورقه های بوروفن موافق است.

همه این مشاهدات به شدت نشان می‌دهند که گرافن توسط بوروفن در نزدیکی لبه‌های نقره تشکیل می‌شود، که در نتیجه منجر به تشکیل ناهم‌ساختارهای عمودی بوروفن-گرافن می‌شود، که می‌تواند با افزایش پوشش اولیه گرافن به‌خوبی محقق شود.

4I یک نمایش شماتیک از یک ناهمساختار عمودی بر روی است 4H، جایی که جهت ردیف بور (فلش صورتی) با جهت زیگزاگی گرافن (پیکان سیاه) همسو است، بنابراین یک ساختار ناهمگون عمودی متناسب با چرخش تشکیل می دهد.

برای آشنایی دقیق تر با تفاوت های ظریف مطالعه، توصیه می کنم نگاه کنید دانشمندان گزارش می دهند и مواد اضافی به او.

خاتمه

این مطالعه نشان داد که بوروفن کاملاً قادر به تشکیل هتروساختارهای جانبی و عمودی با گرافن است. چنین سیستم هایی را می توان در توسعه انواع جدیدی از عناصر دو بعدی مورد استفاده در فناوری نانو، الکترونیک انعطاف پذیر و پوشیدنی و همچنین انواع جدیدی از نیمه هادی ها استفاده کرد.

خود محققان بر این باورند که توسعه آنها می تواند یک پیشروی قدرتمند برای فناوری های مرتبط با الکترونیک باشد. با این حال، هنوز نمی توان با اطمینان گفت که سخنان آنها نبوی می شود. در حال حاضر، هنوز چیزهای زیادی برای تحقیق، درک و اختراع وجود دارد تا آن ایده های علمی تخیلی که ذهن دانشمندان را پر می کند به یک واقعیت کامل تبدیل شود.

ممنون که خواندید، کنجکاو باشید و هفته خوبی داشته باشید بچه ها. 🙂

از اینکه با ما ماندید متشکرم آیا مقالات ما را دوست دارید؟ آیا می خواهید مطالب جالب تری ببینید؟ با ثبت سفارش یا معرفی به دوستان از ما حمایت کنید 30٪ تخفیف برای کاربران Habr در آنالوگ منحصر به فرد سرورهای سطح ورودی که توسط ما برای شما اختراع شده است: تمام حقیقت در مورد VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps از 20 دلار یا چگونه سرور را به اشتراک بگذاریم؟ (در دسترس با RAID1 و RAID10، حداکثر 24 هسته و حداکثر 40 گیگابایت DDR4).

Dell R730xd 2 برابر ارزان تر است؟ فقط اینجا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV از 199 دلار در هلند! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - از 99 دلار! در مورد بخوانید نحوه ساخت شرکت زیرساخت کلاس با استفاده از سرورهای Dell R730xd E5-2650 v4 به ارزش 9000 یورو برای یک پنی؟

منبع: www.habr.com