«La mutation est la clé pour percer le mystère de l'évolution. Le chemin de développement d'un organisme unicellulaire à l'espèce biologique dominante s'étend sur des milliers d'années. Mais à chaque centaine de milliers d'années, un saut soudain se produit dans l'évolution» (Charles Xavier, X-Men, 2000). En laissant de côté tous les éléments de science-fiction présents dans les bandes dessinées et les films, les mots du professeur X sont tout à fait véridiques. Le développement de quelque chose progresse uniformément pendant une grande partie du temps, mais des sauts se produisent parfois, ayant un immense impact sur l'ensemble du processus. Cela s'applique non seulement à l'évolution des espèces, mais aussi à l'évolution des technologies, dont le principal moteur est l'humanité, ses recherches et ses inventions. Aujourd'hui, nous allons découvrir une étude qui, selon ses auteurs, représente un véritable saut évolutif dans les nanotecnologies. Comment les scientifiques de l'Université Northwestern (États-Unis) ont-ils réussi à créer une nouvelle hétérostructure bidimensionnelle, pourquoi le graphène et le borophène ont-ils été choisis comme base, et quelles propriétés un tel système peut-il posséder ? C'est ce que nous expliquera le rapport du groupe de recherche. Allons-y.
Fondement de l'étude
Nous avons déjà entendu le terme «graphène» de nombreuses fois - c'est une modification bidimensionnelle du carbone, composée d'une couche d'atomes de carbone d'un épaisseur d'un atome. En revanche, «borophène» est un terme que l'on rencontre très rarement. Ce terme désigne un cristal bidimensionnel composé exclusivement d'atomes de bore (B). La possibilité d'existence du borophène a été prédite pour la première fois au milieu des années 90, mais ce n'est qu'en 2015 que cette structure a pu être obtenue en pratique.
La structure atomique du borophène se compose d'éléments triangulaires et hexagonaux et résulte des interactions entre des liaisons intra-plans à deux centres et à plusieurs centres, ce qui est très caractéristique des éléments présentant un déficit d'électrons, parmi lesquels figure le bore.
*Par liaisons à deux centres et à plusieurs centres, on entend des liaisons chimiques — des interactions entre atomes, caractérisant la stabilité d'une molécule ou d'un cristal en tant que structure unique. Par exemple, une liaison binaire à deux électrons se forme lorsque 2 atomes partagent 2 électrons, et une liaison binaire à trois électrons se forme entre 2 atomes et 3 électrons, etc.
D'un point de vue physique, le borophène pourrait être plus résistant et flexible par rapport au graphène. On pense également que les structures de borophène pourraient être un complément efficace pour les batteries, car le borophène possède une grande capacité spécifique et des propriétés uniques de conductivité électronique et de transfert d'ions. Cependant, pour le moment, cela reste une théorie.
Étant un élément trivalent*, le bore a au moins 10 allotropes*. Dans sa forme bidimensionnelle, un tel polymorphisme* est également observé.
L'élément trivalent* est capable de former trois liaisons covalentes, dont la valence est égale à trois.
L'allotropie* est lorsqu'un élément chimique peut être présenté sous la forme de deux substances simples ou plus. Par exemple, le carbone - diamant, graphène, graphite, nanotubes de carbone, etc.
Le polymorphisme* est la capacité d'une substance à exister dans différentes structures cristallines (modifications polymorphes). Dans le cas des substances simples, ce terme est synonyme d'allotropie.
Étant donné un tel polymorphisme étendu, on suppose que le borophène pourrait devenir un excellent candidat pour la création de nouvelles hétérostructures bidimensionnelles, car différentes configurations de liaisons de bore devraient assouplir les exigences de correspondance de réseau cristallin. Malheureusement, cette question a été auparavant étudiée uniquement au niveau théorique en raison des difficultés de synthèse.
Pour les matériaux 2D classiques, obtenus à partir de cristaux en couches, des hétérostructures verticales peuvent être réalisées par empilement mécanique. D'autre part, les hétérostructures latérales bidimensionnelles reposent sur une synthèse ascendante. Les hétérostructures latérales atomiquement précises possèdent un grand potentiel pour résoudre les problèmes de contrôle des capacités fonctionnelles de l'hétérotransition; cependant, en raison de la liaison covalente, la mauvaise correspondance de réseau entraîne généralement des interfaces larges et désordonnées. Par conséquent, il y a du potentiel, mais aussi des problèmes dans sa mise en œuvre.
Dans cette étude, les chercheurs ont réussi à intégrer le borophène et le graphène dans une seule hétérostructure bidimensionnelle. Malgré le décalage entre les réseaux cristallographiques et la symétrie du borophène et du graphène, le dépôt séquentiel de carbone et de bore sur un substrat Ag(111) dans un ultrahaut vide (UHV) aboutit à des hétérointerfaces latérales presque atomiquement précises avec des alignements de réseau prévus, ainsi qu'à des hétérointerfaces verticales.
Préparation à l'étude
Avant l'étude de l'hétérostructure, celle-ci devait être fabriquée. La croissance du graphène et du borophène a été réalisée dans une chambre d'ultrahaut vide avec une pression de 1x10-10 millibar.
Le substrat monocristallin Ag(111) a été nettoyé par des cycles répétés de brossement Ar+ (1 x 10-5 millibar, énergie 800 eV, 30 minutes) et de recuit thermique (550 °C, 45 minutes) jusqu'à obtenir une surface Ag(111) atomiquement propre et plane.
La croissance du graphène s'est effectuée par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de graphite pure (99,997%) de 2,0 mm de diamètre sur un substrat Ag(111) chauffé à 750 °C à un courant d'initié d'environ 1,6 A et une tension d'accélération d'environ 2 kV, ce qui donne un courant d'émission d'environ 70 mA et un flux de carbone d'environ 40 nA. La pression dans la chambre était de 1 x 10-9 millibar.
La croissance du borophène a été réalisée par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de bore pure (99,9999%) sur un sous-monocouche de graphène chauffé à 400-500 °C sur Ag(111). Le courant d'initié était d'environ 1,5 A, et la tension d'accélération de 1,75 kV, ce qui donne un courant d'émission d'environ 34 mA et un flux de bore d'environ 10 nA. La pression dans la chambre pendant la croissance du borophène était d'environ 2 x 10-10 millibar.
Résultats de l'étude
Image n°1
Sur l'image 1A il est montré STM* photo du graphène cultivé, où les domaines de graphène sont le mieux visualisés grâce à la carte dI/dV (1B), où I et V — le courant de tunnel et le décalage de l'échantillon, et d — la densité.
STM* — microscope à effet tunnel.
dI/dV les cartes de l'échantillon ont permis de voir une densité d'états locale plus élevée du graphène par rapport au substrat Ag(111). Conformément aux études précédentes, l'état de surface Ag(111) présente une caractéristique en escalier, décalée vers des énergies positives sur dI/dV le spectre du graphène (1C), ce qui explique la densité d'états locale plus élevée du graphène sur 1B à 0,3 eV.
Sur l'image 1D Nous pouvons voir la structure d'un graphène monocouche, où l'on peut distinguer clairement le réseau en cellules. La superstructure moiré*.
Superstructure* — une caractéristique de la structure d'un composé cristallin, qui se répète à des intervalles réguliers et crée ainsi une nouvelle structure avec un autre période d'alternance.
Moiré* — le superposition de deux motifs de maillage périodiques l'un sur l'autre.
À des températures plus basses, la croissance conduit à la formation de domaines dendritiques et défectueux de graphène. En raison des interactions faibles entre le graphène et le substrat sous-jacent, l'alignement rotatif du graphène par rapport à l'Ag (111) sous-jacent n'est pas unique.
Après le dépôt de bore, la microscopie à effet tunnel (1E) a montré la présence de domaines de graphène et de borophène. L'image montre également des zones à l'intérieur du graphène qui ont été ultérieurement identifiées comme étant du graphène intercalé avec du borophène (indiqué sur l'image Gr/B). Dans cette zone, des éléments linéaires orientés dans trois directions et séparés par un angle de 120 ° (flèches jaunes) sont également bien visibles.
Image n°2
La photo à 2A, tout comme 1E, confirme l'apparition de dépressions localisées (dépressions) dans le graphène après le dépôt de bore.
Pour mieux examiner ces formations et en déterminer l'origine, une autre photo de la même zone a été prise, mais en utilisant des cartes |dlnI/dz| (2В), где I — le courant tunnel, d — la densité, et z — la séparation sonde-échantillon (l'écart entre l'aiguille du microscope et l'échantillon). L'application de cette méthode permet d'obtenir des images avec une plus grande résolution spatiale. Le CO ou le H2 peuvent également être utilisés sur l'aiguille du microscope.
L'image 2C est une photo obtenue par STN, dont l'aiguille était recouverte de CO. La comparaison des images Un, Dans et Avec montre que tous les éléments atomiques sont identifiés comme trois hexagones brillants adjacents, orientés dans deux directions non équivalentes (triangles rouges et jaunes sur les images).
Les images agrandies de cette zone (2D) confirment que ces éléments sont en accord avec les impuretés de dopage au bore, occupant deux sous-réseaux de graphène, comme l'indiquent également les structures superposées.
Le revêtement en CO de l'aiguille du microscope a permis de révéler la structure géométrique de la feuille de borophène (2E), ce qui serait impossible si l'aiguille était standard (métallique) sans revêtement SO.
Image n°3
Formation d'hétérointerfaces latérales entre le borophène et le graphène (3A) doit se produire lorsque le borophène croît à proximité des domaines de graphène, où le bore est déjà présent.
Les chercheurs rappellent que les hétérointerfaces latérales basées sur le graphène-hBN (graphène + nitrure de bore) présentent une cohérence de réseau, tandis que les hétéropériphériques à base de dichalcogénures de métaux de transition présentent une cohérence de symétries. Dans le cas du graphène/bordophène, la situation est légèrement différente — ils ont une similitude structurelle minimale en termes de paramètres de réseau ou de symétrie cristalline. Cependant, malgré cela, l'hétérointerface latérale graphène/bordophène montre une cohérence atomique presque parfaite, les directions de la rangée du bore (B-row) étant alignées avec les directions en zigzag (ZZ) du graphène (3A). À 3B est montré un agrandissement de la zone ZZ de l'hétérointerface (les éléments interphasiques sont marqués par des lignes bleues, correspondant aux liaisons covalentes bore-carbone).
Étant donné que la croissance du borophène se fait à une température inférieure à celle du graphène, les bords du domaine de graphène ont peu de chances d'avoir une mobilité élevée lors de la formation de l'hétérointerface avec le borophène. Par conséquent, l'hétérointerface presque atomiquement précise est probablement le résultat de différentes configurations et caractéristiques des liaisons multicoeurs du bore. Les spectres de la spectroscopie tunneling à balayage (3C) et de la conductivité tunneling différentielle (3D) montrent que la transition électronique du graphène vers le borophène se produit à une distance d'environ ~ 5 Å sans états d'interface visibles.
Sur l'image 3E présentent trois spectres de la spectroscopie tunneling à balayage, réalisés le long des trois lignes pointillées sur 3D, qui confirment que cette courte transition électronique est insensible aux structures interphasiques locales et comparable à celle aux frontières borophène-argent.
Image n°4
Graphène intercalation* a également été largement étudié auparavant, cependant, la transformation des intercalants en véritables feuilles 2D est un phénomène relativement rare.
Intercalation* — insertion réversible d'une molécule ou d'un groupe de molécules entre d'autres molécules ou groupes de molécules.
Le petit rayon atomique du bore et la faible interaction entre le graphène et Ag (111) suggèrent une possible intercalation du graphène avec du bore. Sur l'image 4A sont présentées des preuves non seulement de l'intercalation du bore, mais aussi de la formation de hétérostructures verticales bore-graphène, en particulier des domaines triangulaires entourés de graphène. Le réseau cellulaire observé sur ce domaine triangulaire confirme la présence de graphène. Cependant, ce graphène montre une densité d'états locale plus faible à -50 meV par rapport au graphène environnant (4B). Comparé au graphène directement sur Ag (111), l'absence de signes d'une densité d'états localement élevée dans le spectre dI/dV (4C, la courbe bleue), correspondant à l'état de surface d'Ag (111), est la première preuve de l'intercalation du bore.
Comme attendu pour une intercalation partielle, le réseau de graphène reste continu sur toute l'interface latérale entre le graphène et la zone triangulaire (4D — correspond à la zone rectangulaire sur 4A, entourée d'une ligne pointillée rouge). Une prise de vue avec un AFM a également confirmé la présence d'impuretés de substitution au bore (4E — correspond à la zone rectangulaire sur 4A, entourée d'une ligne pointillée jaune).
Lors de l'analyse, des pointes de microscope sans aucun revêtement ont également été utilisées. Dans ce cas, des signes d'éléments linéaires unidimensionnels ont été identifiés dans les domaines de graphène intercalés, avec une périodicité de 5 Å (4F et 4G). Ces structures unidimensionnelles ressemblent à des rangées de bore dans le modèle du borophène. En plus de l'ensemble de points correspondant au graphène, la transformation de Fourier de l'image sur 4G affiche une paire de points orthogonaux correspondant à un réseau rectangulaire de 3 Å x 5 Å (4H), ce qui est en parfait accord avec le modèle du borophène. En outre, l'orientation triple observée du réseau d'éléments linéaires (1E) s'accorde bien avec la même structure prédominante observée pour les feuilles de borophène.
Toutes ces observations témoignent de manière convaincante de l'intercalation du graphène par le borophène près des bords de l'Ag, ce qui conduit par conséquent à la formation de hétérostructures verticales borophène-graphène, qui peuvent être principalement réalisées en augmentant la couverture initiale de graphène.
4I est une représentation schématique de l'hétérostructure verticale sur 4H, où la direction de la rangée de bore (flèche rose) est à peu près alignée avec la direction en zigzag du graphène (flèche noire), formant ainsi une hétérostructure verticale rotatoirement équivalente.
Pour une compréhension plus approfondie des nuances de l'étude, je recommande de consulter le et à ce sujet.
Épilogue
Cette étude a montré que le borophène est tout à fait capable de former des hétérostructures latérales et verticales avec le graphène. De tels systèmes peuvent être utilisés dans le développement de nouveaux types d'éléments bidimensionnels appliqués aux nanotechnologies, à l'électronique flexible et portable, ainsi qu'à de nouveaux types de semi-conducteurs.
Les chercheurs eux-mêmes estiment que leur développement pourrait constituer un puissant coup d'accélérateur pour les technologies liées à l'électronique. Cependant, il est difficile de dire avec certitude si leurs propos s'avéreront prophétiques. Pour l'instant, beaucoup reste à explorer, comprendre et inventer pour que ces idées de science-fiction qui remplissent l'esprit des scientifiques deviennent une réalité tangible.
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Source : habr.com
