"Mutaasje is de kaai foar it ûntdekken fan it mystearje fan evolúsje. It paad fan ûntwikkeling fan it ienfâldichste organisme nei de dominante biologyske soarte duorret tûzenen jierren. Mar elke hûndert tûzen jier is der in skerpe sprong foarút yn evolúsje" (Charles Xavier, X-Men, 2000). As wy alle science-fiction-eleminten dy't oanwêzich binne yn strips en films wegerje, dan binne de wurden fan professor X hiel wier. De ûntwikkeling fan iets giet it measte fan 'e tiid gelyk, mar soms binne der sprongen dy't in geweldige ynfloed hawwe op it heule proses. Dat jildt net allinnich foar de evolúsje fan soarten, mar ek foar de evolúsje fan technology, de wichtichste driuwfearren dêrfan is minsken, harren ûndersyk en útfinings. Hjoed sille wy yn 'e kunde komme mei in stúdzje dy't, neffens har auteurs, in echte evolúsjonêre sprong is yn nanotechnology. Hoe hawwe wittenskippers fan 'e Northwestern University (FS) it slagge om in nije twadiminsjonale heterostruktuer te meitsjen, wêrom waarden grafeen en borofen keazen as basis, en hokker eigenskippen kin sa'n systeem hawwe? It rapport fan de ûndersyksgroep sil ús dêroer fertelle. Gean.
Undersyk basis
Wy hawwe de term "grafeen" in protte kearen heard; it is in twadiminsjonale modifikaasje fan koalstof, besteande út in laach koalstofatomen 1 atoom dik. Mar "borofen" is ekstreem seldsum. Dizze term ferwiist nei in twadiminsjonaal kristal besteande allinnich út boron (B) atomen. De mooglikheid fan it bestean fan borofene waard foar it earst foarsein yn 'e midden fan' e jierren '90, mar yn 'e praktyk wie it mooglik om dizze struktuer pas yn 2015 te krijen.
De atomêre struktuer fan borofeen bestiet út trijehoekige en hexagonale eleminten en is in gefolch fan de ynteraksje tusken twa-sintra en multi-sintra yn-fleantúch obligaasjes, dat is hiel typysk foar elektron-deficient eleminten, dêr't boron.
*Mei twa-sintra en multicenter-obligaasjes bedoele wy gemyske obligaasjes - ynteraksjes fan atomen dy't de stabiliteit fan in molekule of kristal as ienige struktuer karakterisearje. Bygelyks, in twa-sintra twa-elektronenbân komt foar as 2 atomen 2 elektroanen diele, en in twa-sintra trije-elektronenbân komt foar as 2 atomen en 3 elektroanen, ensfh.
Fanút in fysyk eachpunt kin borofen sterker en fleksibeler wêze as grafeen. It wurdt ek leaud dat borofeenstruktueren in effektive oanfolling wêze kinne foar batterijen, om't borofen hege spesifike kapasiteit hat en unike elektroanyske konduktiviteit en iontransporteigenskippen. Op it stuit is dit lykwols gewoan in teory.
Being trivalent elemint*, boron hat op syn minst 10 allotropen*. Yn twadiminsjonale foarm, ferlykber polymorfisme* wurdt ek waarnommen.
Trivalent elemint* by steat om trije kovalente bindingen te foarmjen, wêrfan de valens trije is.
Allotropy* - as ien gemysk elemint kin wurde presintearre yn 'e foarm fan twa of mear ienfâldige stoffen. As foarbyld, koalstof - diamant, grafene, grafyt, koalstof nanotubes, ensfh.
Polymorfisme* - it fermogen fan in stof om te bestean yn ferskate kristalstruktueren (polymorfe modifikaasjes). Yn it gefal fan ienfâldige stoffen is dizze term synonym foar allotropy.
Mei it each op dit brede polymorfisme wurdt suggerearre dat borofen in poerbêste kandidaat kin wêze foar it meitsjen fan nije twadiminsjonale heterostruktueren, om't ferskate konfiguraasjes foar boorbonding de lattice-oerienkommende easken moatte ûntspanne. Spitigernôch, dit probleem waard earder bestudearre allinnich op it teoretysk nivo fanwege swierrichheden yn synteze.
Foar konvinsjonele 2D materialen krigen út bulk layered kristallen, fertikale heterostructures kinne wurde realisearre mei help fan meganyske Stacking. Oan 'e oare kant binne twadiminsjonale laterale heterostruktueren basearre op bottom-up synteze. Atomysk krekte laterale heterostruktueren hawwe in grut potensjeel by it oplossen fan funksjonele kontrôleproblemen foar heterojunction, lykwols, fanwegen kovalente bonding, resultearret ûnfolsleine lattice-matching typysk yn brede en ûnregelmjittige ynterfaces. Dêrom is der potinsje, mar der binne ek problemen by it realisearjen fan it.
Yn dit wurk wisten de ûndersikers borofen en grafeen te yntegrearjen yn ien twadiminsjonale heterostruktuer. Nettsjinsteande de kristallografyske roostermismatch en symmetry tusken borofeen en grafeen, resultearret opfolgjende ôfsetting fan koalstof en boron op in Ag (111) substraat ûnder ultra-hege fakuüm (UHV) yn hast atomysk krekte laterale heterointerfaces mei foarseine roosterôfstimmingen, lykas fertikale hetero-interfaces. .
Studie tarieding
Foardat de heterostruktuer bestudearre waard, moast it fabrisearre wurde. De groei fan graphene en borofene waard útfierd yn in ultra-hege fakuüm keamer mei in druk fan 1x10-10 millibars.
It ienkristal Ag (111) substraat waard skjinmakke troch werhelle syklusen fan Ar + sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuten) en termyske annealing (550 ° C, 45 minuten) om in atomysk skjinne en flakke Ag ( 111) oerflak. .
Grafeen waard groeid troch elektronenstraalferdamping fan in suvere (99,997%) grafytstaaf mei in diameter fan 2.0 mm op in Ag (750) substraat ferwaarme oant 111 °C by in ferwaarmingstrom fan ~ 1.6 A en in fersnellingsspanning fan ~ 2 kV , dy't in útstjitstroom jout fan ~ 70 mA en koalstofflux ~40 nA. De druk yn 'e keamer wie 1 x 10-9 millibar.
Borofene waard groeid troch elektroanen beam ferdamping fan in suvere (99,9999%) boron staaf op submonolayer graphene op Ag (400) ferwaarme ta 500-111 ° C. De gloeidraadstroom wie ~ 1.5 A en de fersnellingsspanning wie 1.75 kV, wat in emisjestrom jout fan ~ 34 mA en in boorflux fan ~ 10 nA. De druk yn 'e keamer yn' e groei fan borofen wie sawat 2 x 10-10 millibar.
Undersyksresultaten
Ofbylding #1
Op it byld 1A sjen litten STM* in momintopname fan groeid grafeen, wêrby't de grafene-domeinen it bêste visualisearre wurde mei in kaart dI/dV (1B) wêr I и V binne de tunneling hjoeddeistige en sample ferpleatsing, en d - tichtens.
STM* - skennen tunneling mikroskoop.
dI/dV kaarten fan 'e stekproef lieten ús sjen in hegere pleatslike tichtens fan steaten fan grafene yn ferliking mei it Ag (111) substraat. Yn oerienstimming mei eardere stúdzjes hat de oerflaksteat fan Ag (111) in stapkarakteristyk, ferskood nei positive enerzjy troch dI/dV spektrum fan grafeen (1C), wat ferklearret de hegere lokale tichtheid fan steaten fan grafene op 1B op 0.3v.
Op it byld 1D wy kinne de struktuer fan ienlaach grafeen sjen, wêrby't it huningraatrooster dúdlik sichtber is en moiré boppebou*.
Boppebou* - in skaaimerk fan 'e struktuer fan in kristallijne ferbining dy't op in bepaald ynterval werhellet en dus in nije struktuer skept mei in oare ôfwikselingsperioade.
Moire* - superposysje fan twa periodike gaaspatroanen boppe-op elkoar.
By legere temperatueren liedt groei ta de formaasje fan dendrityske en defekte grafene-domeinen. Troch swakke ynteraksjes tusken grafeen en it ûnderlizzende substraat is de rotaasje-ôfstimming fan grafene mei respekt foar de ûnderlizzende Ag (111) net unyk.
Nei boorôfsetting, skennende tunnelingmikroskopy (1E) toande de oanwêzigens fan in kombinaasje fan borofene en grafene domeinen. Ek sichtber yn 'e ôfbylding binne regio's binnen it grafeen, dy't letter identifisearre waarden as grafeen intercalated mei borofene (oanjûn yn' e ôfbylding Gr/B). Lineêre eleminten oriïntearre yn trije rjochtingen en skieden troch in hoeke fan 120 ° binne ek dúdlik sichtber yn dit gebiet (giele pylken).
Ofbylding #2
Foto op 2Aas 1E, befêstigje it uterlik fan pleatslike donkere depresjes yn grafene nei borondeposysje.
Om dizze formaasjes better te ûndersiikjen en har oarsprong út te finen, is noch in foto makke fan itselde gebiet, mar mei kaarten |dlnI/dz| (2B), wêr I - tunnelstream, d is de tichtens, en z - skieding fan probe-monster (it gat tusken de mikroskoopnaald en it stekproef). It brûken fan dizze technyk makket it mooglik om te krijen ôfbyldings mei hege romtlike resolúsje. Jo kinne ek CO of H2 brûke op 'e mikroskoopnaald foar dit.
Ofbylding 2C is in ôfbylding krigen mei in STM wêrfan de tip is bedekt mei CO. Fergeliking fan bylden А, В и С lit sjen dat alle atomêre eleminten wurde definiearre as trije neistlizzende heldere hexagons rjochte yn twa net-lykweardige rjochtingen (reade en giele trijehoeken yn 'e foto's).
Fergrutte bylden fan dit gebiet (2D) befêstigje dat dizze eleminten yn oerienstimming binne mei boron dopant ûnreinheden, besette twa graphene sublattices, lykas oanjûn troch de boppesteande struktueren.
CO-coating fan 'e mikroskoopnaald makke it mooglik om de geometryske struktuer fan' e borofenblêd te iepenbierjen (2E), wat soe wêze ûnmooglik as de needle wiene standert (metaal) sûnder CO coating.
Ofbylding #3
Formaasje fan laterale heterointerfaces tusken borofen en grafeen (3A) moat foarkomme as borofene groeit neist grafene-domeinen dy't al boron befetsje.
Wittenskippers betinke dat laterale heterointerfaces basearre op grafene-hBN (graphene + boron nitride) roosterkonsistinsje hawwe, en heterojunctions basearre op transysjemetaal dichalcogenides hawwe symmetry-konsistinsje. Yn it gefal fan grafeen/borofene is de situaasje wat oars - se hawwe minimale strukturele oerienkomst yn termen fan roosterkonstanten of kristalsymmetry. Nettsjinsteande dit, lit de laterale grafeen/borofeen-hetero-interface lykwols hast perfekte atomêre konsistinsje sjen, mei de boronrige (B-rige) rjochtingen ôfstimd mei de zigzag (ZZ) rjochtingen fan grafeen (3A). Op 3B in fergrutte ôfbylding fan 'e ZZ-regio fan' e heterointerface wurdt werjûn (blauwe linen jouwe ynterfasiale eleminten oan dy't oerienkomme mei boron-koalstof kovalente obligaasjes).
Om't borofen groeit by in legere temperatuer yn ferliking mei grafeen, binne de rânen fan it grafeendomein net wierskynlik hege mobiliteit te hawwen by it foarmjen fan in heterointerface mei borofen. Dêrom is de hast atomysk krekte hetero-interface wierskynlik in gefolch fan ferskate konfiguraasjes en skaaimerken fan multisite boronobligaasjes. Scanning tunneling spectroscopy spectra (3C) en differinsjaal tunnelkonduktiviteit (3D) litte sjen dat de elektroanyske oergong fan grafeen nei borofeen foarkomt oer in ôfstân fan ~5 Å sûnder sichtbere ynterface steaten.
Op it byld 3E Toand binne trije skennen tunneling spektroskopy spektra nommen lâns de trije stippellinen yn 3D, dy't befêstigje dat dizze koarte elektroanyske oergong is ûngefoelich foar lokale ynterfacial struktueren en is te fergelykjen mei dy by borofene-sulver ynterfaces.
Ofbylding #4
Graphene ynterkalaasje* is ek earder wiidweidich bestudearre, mar de omsetting fan intercalants yn wiere 2D-blêden is relatyf seldsum.
Ynterkalaasje* - omkearbere ynklúzje fan in molekule of groep molekulen tusken oare molekulen of groepen fan molekulen.
De lytse atoomradius fan borium en de swakke ynteraksje tusken grafeen en Ag(111) suggerearje mooglike ynterkalaasje fan grafeen mei boron. Yn it byld 4A bewiis wurdt presintearre net allinnich fan boron intercalation, mar ek fan de foarming fan fertikale borofene-grafene heterostructures, benammen trijehoekige domeinen omjûn troch grafene. It huningraatrooster dat op dit trijehoekige domein wurdt waarnommen befêstiget de oanwêzigens fan grafene. Dit grafeen fertoant lykwols in legere lokale tichtens fan steaten by -50 meV yn ferliking mei omlizzende grafene (4B). Yn ferliking mei grafene direkt op Ag(111), is d'r gjin bewiis foar in hege lokale tichtens fan steaten yn it spektrum dI/dV (4C, blauwe kromme), oerienkommende mei de Ag (111) oerflak steat, is it earste bewiis fan borium intercalation.
Ek, lykas ferwachte foar parsjele ynterkalaasje, bliuwt it grafeenrooster kontinu yn 'e laterale ynterface tusken it grafene en it trijehoekige gebiet (4D - komt oerien mei in rjochthoekich gebiet op 4A, omjûn yn reade stippelline). In ôfbylding mei CO op in mikroskoopnaald befêstige ek de oanwêzigens fan ûnreinheden fan boriumferfanging (4E - komt oerien mei in rjochthoekich gebiet op 4A, rûn yn giele stippelline).
Mikroskoopnaalden sûnder coating waarden ek brûkt tidens de analyze. Yn dit gefal waarden tekens fan iendiminsjonale lineêre eleminten mei in periodisiteit fan 5 Å iepenbiere yn 'e ynterkalearre grafene-domeinen (4F и 4G). Dizze iendiminsjonale struktueren lykje op 'e boron rigen yn it borofene model. Neist de set fan punten dy't oerienkomme mei grafeen, is de Fourier-transformaasje fan it byld 4G toant in pear ortogonale punten dy't oerienkomme mei in 3 Å x 5 Å rjochthoekich rooster (4H), wat yn poerbêste oerienkomst is mei it borofene-model. Derneist is de waarnommen trijefâldige oriïntaasje fan 'e array fan lineêre eleminten (1E) komt goed oerien mei deselde oerhearskjende struktuer waarnommen foar borofene platen.
Al dizze waarnimmings suggerearje sterk de ynterkalaasje fan grafeen troch borofeen tichtby de rânen fan Ag, wat as gefolch liedt ta de formaasje fan fertikale borofeen-grafeen heterostruktueren, dy't foardielich realisearre wurde kinne troch it fergrutsjen fan de earste dekking fan grafeen.
4I is in skematyske foarstelling fan in fertikale heterostruktuer op 4H, dêr't de rjochting fan 'e boron rige (rôze pylk) is nau ôfstimd mei de zigzag rjochting fan grafene (swarte pylk), dus it foarmjen fan in rotationally evenredich fertikale heterostruktuer.
Foar in mear detaillearre kunde mei de nuânses fan 'e stúdzje, advisearje ik om te sjen и Oan him.
Epilogue
Dizze stúdzje hat oantoand dat borofene hiel by steat is om laterale en fertikale heterostruktueren te foarmjen mei grafeen. Sokke systemen kinne brûkt wurde yn 'e ûntwikkeling fan nije soarten twadiminsjonale eleminten dy't brûkt wurde yn nanotechnology, fleksibele en draachbere elektroanika, lykas ek nije soarten semyconductors.
De ûndersikers sels leauwe dat har ûntwikkeling in krêftige push foarút kin wêze foar elektroanika-relatearre technologyen. It is lykwols noch lestich om wis te sizzen dat har wurden profetysk wurde sille. Op it stuit is der noch in soad te ûndersocht, begrepen en útfûn, sadat dy science fiction-ideeën dy't de geast fan wittenskippers folje, in folsleine realiteit wurde.
Betanke foar it lêzen, bliuw nijsgjirrich en hawwe in geweldige wike jonges. 🙂
Tankewol foar it bliuwen by ús. Hâld jo fan ús artikels? Wolle jo mear ynteressante ynhâld sjen? Stypje ús troch in bestelling te pleatsen of oan te befeljen oan freonen, 30% koarting foar Habr-brûkers op in unike analoog fan servers op yngongsnivo, dy't troch ús foar jo útfûn is: (beskikber mei RAID1 en RAID10, oant 24 kearnen en oant 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kear goedkeaper? Allinne hjir yn Nederlân! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fan $99! Lêze oer
Boarne: www.habr.com