« La mutation est la clé pour percer le mystère de l’évolution. Le chemin du développement depuis l’organisme le plus simple jusqu’à l’espèce biologique dominante dure des milliers d’années. Mais tous les cent mille ans, il y a un bond en avant dans l’évolution » (Charles Xavier, X-Men, 2000). Si l’on met de côté tous les éléments de science-fiction présents dans les bandes dessinées et les films, alors les propos du professeur X sont tout à fait vrais. Le développement de quelque chose se déroule la plupart du temps de manière uniforme, mais il y a parfois des sauts qui ont un impact énorme sur l'ensemble du processus. Cela s’applique non seulement à l’évolution des espèces, mais aussi à l’évolution de la technologie, dont le principal moteur est l’homme, ses recherches et ses inventions. Aujourd'hui, nous allons faire connaissance avec une étude qui, selon ses auteurs, constitue un véritable saut évolutif dans le domaine des nanotechnologies. Comment des 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 pourrait-il avoir ? Le rapport du groupe de recherche nous en parlera. Aller.
Base de recherche
Nous avons entendu à plusieurs reprises le terme « graphène » ; il s’agit d’une modification bidimensionnelle du carbone, constituée d’une couche d’atomes de carbone d’1 atome d’épaisseur. Mais le « borofen » est extrêmement rare. Ce terme fait référence à un cristal bidimensionnel constitué uniquement d'atomes de bore (B). La possibilité de l'existence du borophène a été prédite pour la première fois au milieu des années 90, mais dans la pratique, il n'a été possible d'obtenir cette structure qu'en 2015.
La structure atomique du borophène est constituée d'éléments triangulaires et hexagonaux et est une conséquence de l'interaction entre des liaisons bicentriques et multicentriques dans le plan, ce qui est très typique des éléments déficients en électrons, parmi lesquels le bore.
*Par liaisons bicentriques et multicentriques, nous entendons les liaisons chimiques - les interactions d'atomes qui caractérisent la stabilité d'une molécule ou d'un cristal en tant que structure unique. Par exemple, une liaison à deux centres à deux électrons se produit lorsque 2 atomes partagent 2 électrons, et une liaison à deux centres à trois électrons se produit lorsque 2 atomes et 3 électrons, etc.
D'un point de vue physique, le borophène pourrait être plus résistant et plus flexible que le graphène. On pense également que les structures en borophène pourraient constituer un complément efficace pour les batteries, car le borophène possède une capacité spécifique élevée et des propriétés uniques de conductivité électronique et de transport d’ions. Cependant, pour le moment, ce n’est qu’une théorie.
Être élément trivalent*, le bore en a au moins 10 allotropes*. Sous forme bidimensionnelle, similaire polymorphisme* est également observée.
Élément trivalent* capable de former trois liaisons covalentes dont la valence est de trois.
Allotropie* - lorsqu'un élément chimique peut se présenter sous la forme de deux ou plusieurs substances simples. A titre d'exemple, le carbone - diamant, graphène, graphite, nanotubes de carbone, etc.
Polymorphisme* - 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.
Compte tenu de ce large polymorphisme, il est suggéré que le borophène pourrait être un excellent candidat pour créer de nouvelles hétérostructures bidimensionnelles, puisque différentes configurations de liaisons au bore devraient assouplir les exigences d'adaptation du réseau. Malheureusement, cette question était auparavant étudiée exclusivement au niveau théorique en raison de difficultés de synthèse.
Pour les matériaux 2D conventionnels obtenus à partir de cristaux en couches massifs, des hétérostructures verticales peuvent être réalisées par empilement mécanique. D’autre part, les hétérostructures latérales bidimensionnelles sont basées sur une synthèse ascendante. Les hétérostructures latérales atomiquement précises ont un grand potentiel pour résoudre les problèmes de contrôle fonctionnel des hétérojonctions. Cependant, en raison de la liaison covalente, une correspondance imparfaite du réseau aboutit généralement à des interfaces larges et désordonnées. Il existe donc un potentiel, mais il existe également des problèmes pour le réaliser.
Dans ce travail, les chercheurs ont réussi à intégrer le borophène et le graphène en une seule hétérostructure bidimensionnelle. Malgré l'inadéquation du réseau cristallographique et la symétrie entre le borophène et le graphène, le dépôt séquentiel de carbone et de bore sur un substrat Ag (111) sous ultra-vide (UHV) aboutit à des hétérointerfaces latérales presque atomiquement précises avec des alignements de réseau prédits, ainsi que des hétérointerfaces verticales. .
Préparation à la recherche
Avant d’étudier l’hétérostructure, il fallait la fabriquer. La croissance du graphène et du borophène a été réalisée dans une chambre à ultra-vide avec une pression de 1x10-10 millibars.
Le substrat monocristallin Ag(111) a été nettoyé par des cycles répétés de pulvérisation Ar+ (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minutes) et de recuit thermique (550 °C, 45 minutes) pour obtenir un Ag atomiquement propre et plat ( 111) surfaces. .
Le graphène a été cultivé par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de graphite pur (99,997 %) d'un diamètre de 2.0 mm sur un substrat en Ag (750) chauffé à 111 °C à un courant de chauffage d'environ 1.6 A et une tension d'accélération d'environ 2 kV. , ce qui donne un courant d'émission de ~ 70 mA et un flux de carbone ~ 40 nA. La pression dans la chambre était de 1 x 10-9 millibars.
Le borophène a été cultivé par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de bore pur (99,9999 %) sur du graphène sous-monocouche sur Ag (400) chauffé à 500-111 °C. Le courant de filament 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 millibars.
Résultats de l'étude
Image #1
Sur l'image 1А montré STM* un instantané du graphène cultivé, où les domaines du graphène sont mieux visualisés à l'aide d'une carte dI/dV (1V) où I и V sont le courant tunnel et le déplacement de l'échantillon, et d - densité.
STM* — microscope à effet tunnel.
dI/dV les cartes de l'échantillon nous ont permis de voir une densité locale d'états du graphène plus élevée que celle du substrat Ag (111). Conformément aux études précédentes, l'état de surface de l'Ag (111) présente une caractéristique échelonnée, décalée vers les énergies positives par dI/dV spectre du graphène (1S), ce qui explique la densité locale plus élevée d'états du graphène sur 1V à 0.3 eV.
Sur l'image 1D nous pouvons voir la structure du graphène monocouche, où le réseau en nid d'abeille et superstructure moirée*.
Superstructure* - une caractéristique de la structure d'un composé cristallin qui se répète à un certain intervalle et crée ainsi une nouvelle structure avec une période d'alternance différente.
Moiré* - 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 de graphène dendritiques et défectueux. En raison des faibles interactions entre le graphène et le substrat sous-jacent, l’alignement rotationnel du graphène par rapport à l’Ag(111) sous-jacent n’est pas unique.
Après dépôt de bore, microscopie à effet tunnel (1E) a montré la présence d'une combinaison de domaines de borophène et de graphène. Des régions à l'intérieur du graphène sont également visibles sur l'image, qui ont ensuite été identifiées comme étant du graphène intercalé avec du borophène (indiqué sur l'image). Gr/B). Des éléments linéaires orientés dans trois directions et séparés par un angle de 120° sont également bien visibles dans cette zone (flèches jaunes).
Image #2
Photo sur 2АComme 1E, confirment l'apparition de dépressions sombres localisées dans le graphène après dépôt de bore.
Afin de mieux examiner ces formations et connaître leur origine, une autre photographie a été prise de la même zone, mais à l'aide de cartes |dlnI/dz| (2B), où I — courant tunnel, d est la densité, et z — séparation sonde-échantillon (l'espace entre l'aiguille du microscope et l'échantillon). L'utilisation de cette technique permet d'obtenir des images à haute résolution spatiale. Vous pouvez également utiliser du CO ou du H2 sur l'aiguille du microscope pour cela.
Изображение 2S est une image obtenue à l'aide d'un STM dont la pointe a été recouverte de CO. Comparaison d'images А, В и С montre que tous les éléments atomiques sont définis comme trois hexagones lumineux adjacents dirigés dans deux directions non équivalentes (triangles rouges et jaunes sur les photographies).
Images agrandies de cette zone (2D) confirment que ces éléments sont en accord avec les impuretés dopantes du bore, occupant deux sous-réseaux de graphène, comme l'indiquent les structures superposées.
Le revêtement 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 (en métal) sans revêtement CO.
Image #3
Formation d'hétérointerfaces latérales entre le borophène et le graphène (3А) devrait se produire lorsque le borophène se développe à côté de domaines de graphène contenant déjà du bore.
Les scientifiques rappellent que les hétérointerfaces latérales basées sur le graphène-hBN (graphène + nitrure de bore) ont une cohérence de réseau et que les hétérojonctions basées sur des dichalcogénures de métaux de transition ont une cohérence symétrique. Dans le cas du graphène/borophène, la situation est légèrement différente : ils présentent une similitude structurelle minime en termes de constantes de réseau ou de symétrie cristalline. Cependant, malgré cela, l'hétérointerface latérale graphène/borophène démontre une cohérence atomique presque parfaite, avec les directions de la rangée de bore (rangée B) alignées avec les directions en zigzag (ZZ) du graphène (3А). Sur 3V une image agrandie de la région ZZ de l'hétérointerface est affichée (les lignes bleues indiquent les éléments d'interface correspondant aux liaisons covalentes bore-carbone).
Étant donné que le borophène croît à une température plus basse que le graphène, il est peu probable que les bords du domaine du graphène aient une mobilité élevée lors de la formation d'une hétérointerface avec le borophène. Par conséquent, l’hétérointerface presque atomiquement précise est probablement le résultat de différentes configurations et caractéristiques des liaisons de bore multisites. Spectres de spectroscopie à effet tunnel (3S) et la conductivité tunnel différentielle (3D) montrent que la transition électronique du graphène au borophène se produit sur une distance d'environ 5 Å sans états d'interface visibles.
Sur l'image 3E Trois spectres de spectroscopie tunnel à balayage pris le long des trois lignes pointillées en 3D sont présentés, qui confirment que cette courte transition électronique est insensible aux structures interfaciales locales et est comparable à celle des interfaces borophène-argent.
Image #4
Graphène intercalation* a également été largement étudié auparavant, mais la conversion d'intercalants en véritables feuilles 2D est relativement rare.
Intercalation* - inclusion 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 l'Ag (111) suggèrent une possible intercalation du graphène avec le bore. Dans l'image 4А des preuves sont présentées non seulement de l'intercalation du bore, mais également de la formation d'hétérostructures verticales borophène-graphène, en particulier de domaines triangulaires entourés de graphène. Le réseau en nid d'abeille observé sur ce domaine triangulaire confirme la présence de graphène. Cependant, ce graphène présente une densité d'états locale plus faible à -50 meV par rapport au graphène environnant (4V). Comparé au graphène directement sur Ag(111), il n'y a aucune preuve d'une forte densité locale d'états dans le spectre dI/dV (4C, courbe bleue), correspondant à l'état de surface Ag(111), est la première preuve d'intercalation du bore.
De plus, comme prévu pour une intercalation partielle, le réseau de graphène reste continu tout au long de l'interface latérale entre le graphène et la région triangulaire (4D - correspond à une zone rectangulaire sur 4А, entouré en pointillé rouge). Une image utilisant du CO sur une aiguille de microscope a également confirmé la présence d'impuretés de substitution du bore (4E - correspond à une zone rectangulaire sur 4А, entouré en pointillé jaune).
Des aiguilles de microscope sans aucun revêtement ont également été utilisées lors de l’analyse. Dans ce cas, des signes d'éléments linéaires unidimensionnels avec une périodicité de 5 Å ont été révélés dans les domaines de graphène intercalés (4F и 4G). Ces structures unidimensionnelles ressemblent aux rangées de bore dans le modèle du borophène. En plus de l'ensemble des points correspondant au graphène, la transformée de Fourier de l'image en 4G affiche une paire de points orthogonaux correspondant à un réseau rectangulaire de 3 Å x 5 Å (4Н), ce qui est en excellent accord avec le modèle borophène. De plus, la triple orientation observée du réseau d’éléments linéaires (1E) s'accorde bien avec la même structure prédominante observée pour les feuillets de borophène.
Toutes ces observations suggèrent fortement l'intercalation du graphène par le borophène près des bords de Ag, ce qui conduit par conséquent à la formation d'hétérostructures verticales borophène – graphène, qui peuvent être avantageusement réalisées en augmentant la couverture initiale de graphène.
4I est une représentation schématique d'une hétérostructure verticale sur 4H, où la direction de la rangée de bore (flèche rose) est étroitement alignée avec la direction en zigzag du graphène (flèche noire), formant ainsi une hétérostructure verticale proportionnelle à la rotation.
Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je recommande de regarder и pour lui.
Le final
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 utilisés dans les nanotechnologies, l’électronique flexible et portable, ainsi que de nouveaux types de semi-conducteurs.
Les chercheurs eux-mêmes estiment que leur développement pourrait constituer un puissant pas en avant pour les technologies liées à l’électronique. Cependant, il est encore difficile de dire avec certitude que leurs paroles deviendront prophétiques. À l’heure actuelle, il reste encore beaucoup à rechercher, à comprendre et à inventer pour que les idées de science-fiction qui remplissent l’esprit des scientifiques deviennent une réalité à part entière.
Merci d'avoir lu, restez curieux et passez une bonne semaine les gars. 🙂
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Source: habr.com