"Mutaatio on avain evoluution mysteerin selvittämiseen. Kehityspolku yksinkertaisimmasta organismista hallitsevaan biologiseen lajiin kestää tuhansia vuosia. Mutta joka satatuhatta vuotta tapahtuu jyrkkä harppaus eteenpäin evoluutiossa" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Jos hylkäämme kaikki sarjakuvissa ja elokuvissa esiintyvät tieteiskirjallisuuden elementit, professori X:n sanat ovat täysin totta. Jonkin asian kehitys etenee suurimman osan ajasta tasaisesti, mutta joskus tulee hyppyjä, joilla on valtava vaikutus koko prosessiin. Tämä ei koske vain lajien kehitystä, vaan myös teknologian kehitystä, jonka päätekijä on ihmiset, heidän tutkimuksensa ja keksinnönsä. Tänään tutustumme tutkimukseen, joka on sen tekijöiden mukaan todellinen evoluution harppaus nanoteknologiassa. Miten Northwestern Universityn (USA) tutkijat onnistuivat luomaan uuden kaksiulotteisen heterorakenteen, miksi grafeeni ja borofeeni valittiin pohjaksi ja mitä ominaisuuksia tällaisella järjestelmällä voisi olla? Tutkimusryhmän raportti kertoo meille tästä. Mennä.
Tutkimuspohja
Olemme kuulleet termin "grafeeni" monta kertaa; se on kaksiulotteinen hiilen muunnos, joka koostuu 1 atomin paksuisesta hiiliatomikerroksesta. Mutta "borofeeni" on erittäin harvinainen. Tämä termi viittaa kaksiulotteiseen kiteeseen, joka koostuu yksinomaan boori (B) atomeista. Borofeenin olemassaolon mahdollisuus ennustettiin ensimmäisen kerran jo 90-luvun puolivälissä, mutta käytännössä tämä rakenne saatiin vasta 2015 mennessä.
Borofeenin atomirakenne koostuu kolmiomaisista ja kuusikulmaisista alkuaineista, ja se on seurausta kahden keskuksen ja monikeskuksen tason sisäisten sidosten välisestä vuorovaikutuksesta, mikä on hyvin tyypillistä elektronivajaisille alkuaineille, joihin kuuluu boori.
*Kaksikeskus- ja monikeskussidoksilla tarkoitamme kemiallisia sidoksia - atomien vuorovaikutuksia, jotka luonnehtivat molekyylin tai kiteen stabiilisuutta yhtenä rakenteena. Esimerkiksi kahden keskuksen kahden elektronin sidos syntyy, kun 2 atomia jakaa 2 elektronia, ja kahden keskuksen kolmen elektronin sidos syntyy, kun 2 atomia ja 3 elektronia jne.
Fysikaalisesta näkökulmasta borofeeni voi olla vahvempi ja joustavampi kuin grafeeni. Uskotaan myös, että borofeenirakenteet voisivat olla tehokas täydennys paristoille, koska borofeenilla on korkea ominaiskapasiteetti ja ainutlaatuinen elektroninen johtavuus ja ioninsiirtoominaisuudet. Tämä on kuitenkin tällä hetkellä vain teoria.
Being kolmiarvoinen elementti*, boorissa on vähintään 10 allotroopit*. Kaksiulotteisessa muodossa, samanlainen polymorfismi* myös havaitaan.
Kolmiarvoinen elementti* pystyy muodostamaan kolme kovalenttista sidosta, joiden valenssi on kolme.
Allotropia* - kun yksi kemiallinen alkuaine voidaan esittää kahden tai useamman yksinkertaisen aineen muodossa. Esimerkkinä hiili - timantti, grafeeni, grafiitti, hiilinanoputket jne.
Polymorfismi* - aineen kyky esiintyä erilaisissa kiderakenteissa (polymorfiset modifikaatiot). Yksinkertaisten aineiden tapauksessa tämä termi on synonyymi allotropialle.
Tämän laajan polymorfismin vuoksi on ehdotettu, että borofeeni voi olla erinomainen ehdokas uusien kaksiulotteisten heterorakenteiden luomiseen, koska eri boorisidoskonfiguraatioiden pitäisi lieventää hilan sovitusvaatimuksia. Valitettavasti tätä asiaa tutkittiin aiemmin yksinomaan teoreettisella tasolla synteesivaikeuksien vuoksi.
Perinteisille 2D-materiaaleille, jotka on saatu bulkkikerroskiteistä, pystysuorat heterorakenteet voidaan toteuttaa mekaanisella pinoamalla. Toisaalta kaksiulotteiset lateraaliset heterorakenteet perustuvat alhaalta ylös -synteesiin. Atomitarkoilla lateraalisilla heterorakenteilla on suuri potentiaali ratkaista heteroliitoksen toiminnallisia ohjausongelmia, mutta kovalenttisesta sidoksesta johtuen epätäydellinen hilan yhteensopivuus johtaa tyypillisesti leveisiin ja epävakaisiin rajapintoihin. Potentiaalia siis on, mutta sen toteuttamisessa on myös ongelmia.
Tässä työssä tutkijat onnistuivat integroimaan borofeenin ja grafeenin yhdeksi kaksiulotteiseksi heterorakenteeksi. Huolimatta kristallografisen hilan yhteensopimattomuudesta ja symmetriasta borofeenin ja grafeenin välillä, hiilen ja boorin peräkkäinen kerrostuminen Ag(111)-substraatille ultrakorkeassa tyhjiössä (UHV) johtaa lähes atomin tarkkoihin lateraalisiin heterorajapintoihin ennustetuilla hilan kohdistuksilla sekä pystysuoraan heterorajapintaan. .
Tutkimuksen valmistelu
Ennen heterorakenteen tutkimista se piti valmistaa. Grafeenin ja borofeenin kasvatus suoritettiin ultrakorkeassa tyhjiökammiossa, jonka paine oli 1x10-10 millibaaria.
Yksikiteinen Ag(111)-substraatti puhdistettiin toistuvilla Ar+-sputterointisykleillä (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuuttia) ja lämpöhehkutuksella (550 °C, 45 minuuttia), jolloin saatiin atomisesti puhdas ja tasainen Ag ( 111) pinta.
Grafeenia kasvatettiin elektronisuihkuhaihduttamalla puhdasta (99,997 %) grafiittisauvaa, jonka halkaisija oli 2.0 mm, Ag (750) -substraatille, joka oli kuumennettu 111 °C:seen lämmitysvirralla ~ 1.6 A ja kiihdytysjännitteellä ~ 2 kV. , joka antaa emissiovirran ~ 70 mA ja hiilivuon ~ 40 nA. Paine kammiossa oli 1 x 10-9 millibaaria.
Borofeenia kasvatettiin elektronisuihkuhaihduttamalla puhdasta (99,9999 %) boorisauvaa submonolayer-grafeenille Ag:llä (400), joka oli kuumennettu 500-111 °C:seen. Hehkulangan virta oli ~1.5 A ja kiihdytysjännite 1.75 kV, mikä antaa emissiovirran ~34 mA ja boorivuoksi ~10 nA. Paine kammiossa borofeenin kasvun aikana oli noin 2 x 10-10 millibaaria.
Tutkimuksen tulokset
Kuva #1
Kuvan päällä 1А kuvassa STM* tilannekuva kasvaneesta grafeenista, jossa grafeenialueet näkyvät parhaiten kartan avulla dI/dV (1V), missä I и V ovat tunnelointivirta ja näytteen siirtymä, ja d - tiheys.
STM* — Pyyhkäisytunnelointimikroskooppi.
dI/dV näytteen kartat mahdollistivat grafeenin korkeamman paikallisen tiheyden verrattuna Ag(111)-substraattiin. Aikaisempien tutkimusten mukaan Ag:n (111) pintatilalla on askelominaisuus, joka on siirtynyt kohti positiivisia energioita dI/dV grafeenispektri (1S), mikä selittää grafeenin tilojen korkeamman paikallisen tiheyden 1V 0.3 eV.
Kuvan päällä 1D voimme nähdä yksikerroksisen grafeenin rakenteen, jossa hunajakennohila ja moiré-päällinen*.
ylärakenne* - kiteisen yhdisteen rakenteen ominaisuus, joka toistuu tietyllä aikavälillä ja luo siten uuden rakenteen, jolla on erilainen vuorottelujakso.
Moire* - kahden jaksollisen verkkokuvion päällekkäisyys päällekkäin.
Alemmissa lämpötiloissa kasvu johtaa dendriittisten ja viallisten grafeenidomeenien muodostumiseen. Grafeenin ja alla olevan substraatin välisten heikkojen vuorovaikutusten vuoksi grafeenin kiertosuuntaus suhteessa taustalla olevaan Ag:hen (111) ei ole ainutlaatuinen.
Boorikerrostuksen jälkeen pyyhkäisytunnelimikroskopia (1E) osoitti borofeeni- ja grafeenidomeenien yhdistelmän läsnäolon. Kuvassa näkyy myös grafeenin sisällä olevia alueita, jotka myöhemmin tunnistettiin borofeenin kanssa interkaloituneeksi grafeeniksi (merkitty kuvassa Gr/B). Kolmeen suuntaan suunnatut ja 120°:n kulmalla erotetut lineaariset elementit ovat myös selvästi näkyvissä tällä alueella (keltaiset nuolet).
Kuva #2
Valokuva päällä 2АKuin 1Evahvistavat paikallisten tummien painaumien ilmaantumisen grafeenissa boorin laskeuman jälkeen.
Näiden muodostumien paremmin tutkimiseksi ja niiden alkuperän selvittämiseksi otettiin toinen valokuva samalta alueelta, mutta käyttämällä karttoja |dlnI/dz| (2B), missä I - tunnelivirta, d on tiheys ja z — koettimen ja näytteen erotus (mikroskoopin neulan ja näytteen välinen rako). Tämän tekniikan käyttö mahdollistaa korkean tilaresoluution kuvien saamisen. Voit käyttää tätä varten myös CO:ta tai H2:ta mikroskoopin neulassa.
Изображение 2S on kuva, joka on saatu käyttämällä STM:ää, jonka kärki oli päällystetty CO:lla. Kuvien vertailu А, В и С osoittaa, että kaikki atomielementit määritellään kolmeksi vierekkäiseksi kirkkaaksi kuusikulmioksi, jotka on suunnattu kahteen eri suuntaan (punaiset ja keltaiset kolmiot valokuvissa).
Suurennetut kuvat tästä alueesta (2D) vahvistavat, että nämä elementit ovat sopusoinnussa booriseostusaineen epäpuhtauksien kanssa, jotka kattavat kaksi grafeenialihilaa, kuten päällekkäiset rakenteet osoittavat.
Mikroskoopin neulan CO-pinnoite mahdollisti borofeenilevyn geometrisen rakenteen paljastamisen (2E), mikä olisi mahdotonta, jos neula olisi standardi (metallinen) ilman CO-pinnoitetta.
Kuva #3
Sivuttaisten heterorajapintojen muodostuminen borofeenin ja grafeenin välille (3А) pitäisi tapahtua, kun borofeeni kasvaa booria jo sisältävien grafeenidomeenien vieressä.
Tutkijat muistuttavat, että grafeeni-hBN:ään (grafeeni + boorinitridi) perustuvilla lateraalisilla heterorajapinnoilla on hilakonsistenssi ja siirtymämetallidikalkogenideihin perustuvilla heteroliitoksilla on symmetriakonsistenssi. Grafeenin/borofeenin tapauksessa tilanne on hieman erilainen - niillä on minimaalinen rakenteellinen samankaltaisuus hilavakioiden tai kidesymmetrian suhteen. Tästä huolimatta lateraalinen grafeeni/borofeeni-heterorajapinta osoittaa lähes täydellisen atomiyhteensopivuuden, kun booririvin (B-rivi) suunnat on kohdistettu grafeenin siksak (ZZ) -suuntiin (3А). Päällä 3V näytetään suurennettu kuva heterorajapinnan ZZ-alueesta (siniset viivat osoittavat rajapinnan elementtejä, jotka vastaavat boori-hiili kovalenttisia sidoksia).
Koska borofeeni kasvaa alemmassa lämpötilassa kuin grafeeni, grafeenialueen reunoilla ei todennäköisesti ole suurta liikkuvuutta, kun ne muodostavat heterorajapinnan borofeenin kanssa. Siksi lähes atomin tarkka heterorajapinta johtuu todennäköisesti monipaikkaisten boorisidosten erilaisista konfiguraatioista ja ominaisuuksista. Pyyhkäisytunnelointispektroskopiaspektrit (3S) ja erotunnelin johtavuus (3D) osoittavat, että elektroninen siirtyminen grafeenista borofeeniin tapahtuu ~ 5 Å:n etäisyydellä ilman näkyviä rajapintatiloja.
Kuvan päällä 3E Näytössä on kolme pyyhkäisytunnelointispektroskopiaspektriä, jotka on otettu kolmea katkoviivaa pitkin 3D:ssä, mikä vahvistaa, että tämä lyhyt elektroninen siirtymä ei ole herkkä paikallisille rajapintarakenteille ja on verrattavissa borofeeni-hopea-rajapintojen kanssa.
Kuva #4
Grafeeni interkalaatio* on myös aiemmin laajalti tutkittu, mutta interkalanttien muuntaminen todellisiksi 2D-arkeiksi on suhteellisen harvinaista.
Interkalaatio* - molekyylin tai molekyyliryhmän palautuva sisällyttäminen muiden molekyylien tai molekyyliryhmien väliin.
Boorin pieni atomisäde ja heikko vuorovaikutus grafeenin ja Ag(111) välillä viittaavat mahdolliseen grafeenin interkalaatioon boorin kanssa. Kuvassa 4А todisteita ei ole vain boorin interkalaatiosta, vaan myös vertikaalisten borofeeni-grafeeni-heterorakenteiden muodostumisesta, erityisesti grafeenin ympäröimistä kolmiomaisista alueista. Tällä kolmiomaisella alueella havaittu hunajakennohila vahvistaa grafeenin läsnäolon. Tällä grafeenilla on kuitenkin pienempi paikallinen tilojen tiheys -50 meV:ssa verrattuna ympäröivään grafeeniin (4V). Verrattuna suoraan Ag(111:ssä) olevaan grafeeniin, spektrissä ei ole näyttöä korkeasta paikallisesta tilatiheydestä. dI/dV (4C, sininen käyrä), joka vastaa Ag(111)-pintatilaa, on ensimmäinen todiste boorin interkalaatiosta.
Lisäksi, kuten osittaisen interkalaation osalta on odotettavissa, grafeenihila pysyy jatkuvana koko grafeenin ja kolmioalueen välisessä lateraalisessa rajapinnassa (4D - vastaa suorakaiteen muotoista aluetta päällä 4А, ympyröity punaisella katkoviivalla). Kuva, jossa käytettiin CO:ta mikroskoopin neulalla, vahvisti myös boorikorvausepäpuhtauksien esiintymisen (4E - vastaa suorakaiteen muotoista aluetta päällä 4А, ympyröity keltaisella katkoviivalla).
Analyysin aikana käytettiin myös mikroskoopin neuloja ilman pinnoitetta. Tässä tapauksessa interkaloiduissa grafeenidomeeneissa paljastettiin merkkejä yksiulotteisista lineaarisista elementeistä, joiden jaksollisuus oli 5 Å (4F и 4G). Nämä yksiulotteiset rakenteet muistuttavat borofeenimallin booririvejä. Grafeenia vastaavan pistejoukon lisäksi kuvan Fourier-muunnos muotoon 4G näyttää parin ortogonaalisia pisteitä, jotka vastaavat 3 Å x 5 Å suorakaiteen muotoista hilaa (4N), joka sopii erinomaisesti borofeenimalliin. Lisäksi havaittu lineaaristen elementtien joukon kolminkertainen orientaatio (1E) sopii hyvin saman vallitsevan rakenteen kanssa, joka havaittiin borofeenilevyille.
Kaikki nämä havainnot viittaavat vahvasti grafeenin interkaloitumiseen borofeenilla lähellä Ag:n reunoja, mikä johtaa siten pystysuuntaisten borofeeni-grafeeni-heterorakenteiden muodostumiseen, mikä voidaan edullisesti toteuttaa lisäämällä grafeenin alkuperäistä peittoa.
4I on kaavamainen esitys pystysuorasta heterorakenteesta 4H, jossa booririvin suunta (vaaleanpunainen nuoli) on tiukasti linjassa grafeenin siksak-suunnan kanssa (musta nuoli), mikä muodostaa pyörivästi verrannollisen pystysuoran heterorakenteen.
Jos haluat tutustua tarkemmin tutkimuksen vivahteisiin, suosittelen katsomaan и hänelle.
Epilogi
Tämä tutkimus osoitti, että borofeeni kykenee melko hyvin muodostamaan lateraalisia ja vertikaalisia heterorakenteita grafeenin kanssa. Tällaisia järjestelmiä voidaan käyttää nanoteknologiassa käytettävien uudentyyppisten kaksiulotteisten elementtien, joustavan ja puettavan elektroniikan sekä uudentyyppisten puolijohteiden kehittämisessä.
Tutkijat itse uskovat, että niiden kehitys voisi olla voimakas sysäys elektroniikkaan liittyville teknologioille. On kuitenkin edelleen vaikea sanoa varmasti, että heidän sanoistaan tulee profeetallisia. Tällä hetkellä on vielä paljon tutkittavaa, ymmärrettävää ja keksittävää, jotta niistä tieteisajatuksista, jotka täyttävät tiedemiesten mielet, tulisi täysi todellisuus.
Kiitos kun luit, pysy utelias ja mukavaa viikkoa kaverit. 🙂
Kiitos, että pysyt kanssamme. Pidätkö artikkeleistamme? Haluatko nähdä mielenkiintoisempaa sisältöä? Tue meitä tekemällä tilauksen tai suosittelemalla ystäville, 30 %:n alennus Habr-käyttäjille ainutlaatuisesta lähtötason palvelimien analogista, jonka me keksimme sinulle: (saatavana RAID1:n ja RAID10:n kanssa, jopa 24 ydintä ja jopa 40 Gt DDR4-muistia).
Dell R730xd 2 kertaa halvempi? Vain täällä Alankomaissa! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - alkaen 99 dollaria! Lukea
Lähde: will.com