"A mutación é a clave para desvelar o misterio da evolución. O camiño de desenvolvemento dende o organismo máis simple ata a especie biolóxica dominante dura miles de anos. Pero cada cen mil anos dáse un forte salto na evolución" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se descartamos todos os elementos de ciencia ficción presentes en cómics e películas, entón as palabras do profesor X son ben certas. O desenvolvemento de algo procede de xeito uniforme a maior parte do tempo, pero ás veces hai saltos que teñen un gran impacto en todo o proceso. Isto aplícase non só á evolución das especies, senón tamén á evolución da tecnoloxía, cuxo principal motor son as persoas, as súas investigacións e inventos. Hoxe coñeceremos un estudo que, segundo os seus autores, supón un auténtico salto evolutivo na nanotecnoloxía. Como conseguiron os científicos da Northwestern University (EE.UU.) crear unha nova heteroestrutura bidimensional, por que se elixiron o grafeno e o borofeno como base e que propiedades podería ter tal sistema? Diso falaranos o informe do grupo de investigación. Vaia.
Base de investigación
Escoitamos o termo "grafeno" moitas veces; é unha modificación bidimensional do carbono, que consiste nunha capa de átomos de carbono dun átomo de espesor. Pero "borofen" é extremadamente raro. Este termo refírese a un cristal bidimensional formado unicamente por átomos de boro (B). A posibilidade da existencia de borofeno previuse por primeira vez a mediados dos anos 1, pero na práctica só foi posible obter esta estrutura para 90.
A estrutura atómica do borofeno está formada por elementos triangulares e hexagonais e é consecuencia da interacción entre enlaces no plano de dous e varios centros, que é moi típico dos elementos deficientes en electróns, que inclúen o boro.
*Por enlaces bicéntricos e multicéntricos entendemos enlaces químicos: interaccións de átomos que caracterizan a estabilidade dunha molécula ou cristal como unha única estrutura. Por exemplo, un enlace de dous centros de dous electróns ocorre cando 2 átomos comparten 2 electróns, e un enlace de dous centros de tres electróns ocorre cando 2 átomos e 3 electróns, etc.
Desde o punto de vista físico, o borofeno pode ser máis forte e flexible que o grafeno. Tamén se cre que as estruturas de borofeno poderían ser un complemento eficaz para as baterías, xa que o borofeno ten unha alta capacidade específica e propiedades únicas de condutividade electrónica e transporte de ións. Non obstante, polo momento isto é só unha teoría.
Ser elemento trivalente*, o boro ten polo menos 10 alótropos*. En forma bidimensional, semellante polimorfismo* tamén se observa.
Elemento trivalente* capaz de formar tres enlaces covalentes, cuxa valencia é tres.
Alotropía* - cando un elemento químico pode presentarse en forma de dúas ou máis substancias simples. Por exemplo, carbono - diamante, grafeno, grafito, nanotubos de carbono, etc.
Polimorfismo* - a capacidade dunha substancia para existir en diferentes estruturas cristalinas (modificacións polimórficas). No caso das substancias simples, este termo é sinónimo de alotropía.
Dado este amplo polimorfismo, suxírese que o borofeno pode ser un excelente candidato para crear novas heteroestruturas bidimensionais, xa que as diferentes configuracións de enlace de boro deberían relaxar os requisitos de coincidencia da rede. Desafortunadamente, esta cuestión foi previamente estudada exclusivamente a nivel teórico debido ás dificultades de síntese.
Para materiais 2D convencionais obtidos a partir de cristais en capas a granel, pódense realizar heteroestruturas verticais mediante apilado mecánico. Por outra banda, as heteroestruturas laterais bidimensionais baséanse na síntese ascendente. As heteroestruturas laterais atómicamente precisas teñen un gran potencial para resolver problemas de control funcional da heteroxunción, porén, debido á unión covalente, a coincidencia imperfecta de celosía normalmente dá lugar a interfaces amplas e desordenadas. Polo tanto, hai potencial, pero tamén hai problemas para realizalo.
Neste traballo, os investigadores lograron integrar borofeno e grafeno nunha heteroestrutura bidimensional. A pesar do desaxuste da rede cristalográfica e da simetría entre o borofeno e o grafeno, a deposición secuencial de carbono e boro sobre un substrato de Ag(111) baixo baleiro ultraalto (UHV) dá como resultado heterointerfaces laterais case atómicamente precisas con aliñacións de rede previstas, así como heterointerfaces verticais. .
Preparación do estudo
Antes de estudar a heteroestrutura, houbo que fabricala. O crecemento de grafeno e borofeno realizouse nunha cámara de baleiro ultra alto cunha presión de 1x10-10 milibares.
O substrato monocristal de Ag(111) limpouse mediante ciclos repetidos de pulverización catódica con Ar+ (1 x 10-5 milibares, 800 eV, 30 minutos) e recocido térmico (550 °C, 45 minutos) para obter un Ag() limpo atómicamente e limpo. 111) superficie...
O grafeno creceu mediante a evaporación do feixe de electróns dunha varilla de grafito pura (99,997%) cun diámetro de 2.0 mm sobre un substrato de Ag (750) quentado a 111 °C cunha corrente de quecemento de ~ 1.6 A e unha tensión de aceleración de ~ 2 kV. , que dá unha corrente de emisión de ~ 70 mA e un fluxo de carbono ~ 40 nA. A presión na cámara era de 1 x 10-9 milibares.
O borofeno cultivouse mediante a evaporación do feixe de electróns dunha vara de boro puro (99,9999 %) sobre grafeno submonocapa sobre Ag (400) quentada a 500-111 °C. A corrente do filamento era de ~1.5 A e a tensión de aceleración de 1.75 kV, o que dá unha corrente de emisión de ~34 mA e un fluxo de boro de ~10 nA. A presión na cámara durante o crecemento do borofeno foi de aproximadamente 2 x 10-10 milibares.
Resultados da investigación
Imaxe #1
Na imaxe 1A amosado STM* unha instantánea do grafeno cultivado, onde os dominios do grafeno se visualizan mellor mediante un mapa dI/dV (1V), onde I и V son a corrente de túnel e o desprazamento da mostra, e d - densidade.
STM* - Microscopio túnel de barrido.
dI/dV Os mapas da mostra permitíronnos ver unha maior densidade local de estados do grafeno en comparación co substrato Ag(111). De acordo con estudos anteriores, o estado superficial de Ag (111) ten unha característica escalonada, desprazada cara a enerxías positivas por dI/dV espectro do grafeno (1S), o que explica a maior densidade local dos estados do grafeno 1V a 0.3 eV.
Na imaxe 1D podemos ver a estrutura do grafeno dunha soa capa, onde a rede de panal e superestructura moiré*.
Superestrutura* - unha característica da estrutura dun composto cristalino que se repite nun determinado intervalo e, polo tanto, crea unha nova estrutura cun período de alternancia diferente.
Moire* - Superposición de dous patróns de malla periódicos un sobre outro.
A temperaturas máis baixas, o crecemento leva á formación de dominios dendríticos e de grafeno defectuosos. Debido ás débiles interaccións entre o grafeno e o substrato subxacente, o aliñamento rotacional do grafeno con respecto ao Ag(111) subxacente non é único.
Despois da deposición de boro, microscopía de barrido de túnel (1E) mostrou a presenza dunha combinación de dominios de borofeno e grafeno. Tamén son visibles na imaxe as rexións do interior do grafeno, que máis tarde foron identificadas como grafeno intercalado con borofeno (indicado na imaxe). Gr/B). Os elementos lineais orientados en tres direccións e separados por un ángulo de 120° tamén son claramente visibles nesta zona (frechas amarelas).
Imaxe #2
Foto encendida 2AComo 1E, confirman a aparición de depresións escuras localizadas no grafeno despois da deposición de boro.
Para poder examinar mellor estas formacións e coñecer a súa orixe, realizouse outra fotografía da mesma zona, pero utilizando mapas |dlnI/dz| (2B), onde I - corrente do túnel, d é a densidade, e z — separación sonda-mostra (o espazo entre a agulla do microscopio e a mostra). O uso desta técnica permite obter imaxes con alta resolución espacial. Tamén podes usar CO ou H2 na agulla do microscopio para iso.
Изображение 2S é unha imaxe obtida mediante un STM cuxa punta estaba recuberta con CO. Comparación de imaxes А, В и С mostra que todos os elementos atómicos se definen como tres hexágonos brillantes adxacentes dirixidos en dúas direccións non equivalentes (triángulos vermello e amarelo nas fotografías).
Imaxes ampliadas desta zona (2D) confirman que estes elementos están de acordo coas impurezas dopantes de boro, ocupando dúas subredes de grafeno, como indican as estruturas superpostas.
O revestimento de CO da agulla do microscopio permitiu revelar a estrutura xeométrica da folla de borofeno (2E), o que sería imposible se a agulla fose estándar (metal) sen recubrimento de CO.
Imaxe #3
Formación de heterointerfaces laterais entre borofeno e grafeno (3A) debería ocorrer cando o borofeno crece xunto a dominios de grafeno que xa conteñen boro.
Os científicos lembran que as heterointerfaces laterais baseadas en grafeno-hBN (grafeno + nitruro de boro) teñen consistencia de rede, e as heteroxuncións baseadas en dicalcoxénuros de metais de transición teñen consistencia de simetría. No caso do grafeno/borofeno, a situación é lixeiramente diferente: teñen unha mínima semellanza estrutural en termos de constantes de rede ou de simetría cristalina. Non obstante, a pesar diso, a heterointerface lateral grafeno/borofeno demostra unha consistencia atómica case perfecta, coas direccións da fila de boro (fila B) aliñadas coas direccións en zigzag (ZZ) do grafeno (3A). Encendido 3V móstrase unha imaxe ampliada da rexión ZZ da heterointerface (as liñas azuis indican elementos interfaciais correspondentes a enlaces covalentes boro-carbono).
Dado que o borofeno crece a unha temperatura máis baixa en comparación co grafeno, é improbable que os bordos do dominio do grafeno teñan unha alta mobilidade ao formar unha heterointerface co borofeno. Polo tanto, a heterointerface case atómicamente precisa é probablemente o resultado de diferentes configuracións e características dos enlaces de boro multisitio. Exploración de espectros de espectroscopia de túnel (3S) e condutividade diferencial do túnel (3D) mostran que a transición electrónica do grafeno ao borofeno ocorre a unha distancia de ~5 Å sen estados de interface visibles.
Na imaxe 3E Amósanse tres espectros de espectroscopia de túnel de varrido tomados ao longo das tres liñas discontinuas en 3D, que confirman que esta curta transición electrónica é insensible ás estruturas interfaciais locais e é comparable á das interfaces borofeno-prata.
Imaxe #4
Grafeno intercalación* tamén foi moi estudado anteriormente, pero a conversión de intercalantes en verdadeiras follas 2D é relativamente rara.
Intercalación* - inclusión reversible dunha molécula ou grupo de moléculas entre outras moléculas ou grupos de moléculas.
O pequeno radio atómico do boro e a feble interacción entre o grafeno e Ag(111) suxiren unha posible intercalación do grafeno co boro. Na imaxe 4A preséntase evidencia non só da intercalación do boro, senón tamén da formación de heteroestruturas verticais borofeno-grafeno, especialmente dominios triangulares rodeados de grafeno. A rede de favo observada neste dominio triangular confirma a presenza de grafeno. Non obstante, este grafeno presenta unha menor densidade de estados locais a -50 meV en comparación co grafeno circundante (4V). En comparación co grafeno directamente sobre Ag(111), non hai evidencia dunha alta densidade local de estados no espectro. dI/dV (4C, curva azul), correspondente ao estado de superficie Ag(111), é a primeira evidencia da intercalación do boro.
Ademais, como se esperaba para a intercalación parcial, a rede de grafeno permanece continua en toda a interface lateral entre o grafeno e a rexión triangular (4D - corresponde a unha área rectangular sobre 4A, rodeado cunha liña de puntos vermellas). Unha imaxe usando CO nunha agulla de microscopio tamén confirmou a presenza de impurezas de substitución de boro (4E - corresponde a unha área rectangular sobre 4A, rodeado cunha liña de puntos amarela).
Durante a análise tamén se utilizaron agullas de microscopio sen revestimento. Neste caso, reveláronse signos de elementos lineais unidimensionales cunha periodicidade de 5 Å nos dominios de grafeno intercalados (4F и 4G). Estas estruturas unidimensionales aseméllanse ás filas de boro no modelo de borofeno. Ademais do conxunto de puntos correspondentes ao grafeno, a transformada de Fourier da imaxe en 4G mostra un par de puntos ortogonais correspondentes a unha rede rectangular de 3 Å x 5 Å (4H), que está en excelente acordo co modelo do borofeno. Ademais, a orientación tripla observada da matriz de elementos lineais (1E) concorda ben coa mesma estrutura predominante observada para as follas de borofeno.
Todas estas observacións suxiren fortemente a intercalación do grafeno polo borofeno preto dos bordos do Ag, o que leva, en consecuencia, á formación de heteroestruturas verticais de borofeno-grafeno, que se poden realizar de xeito vantaxoso aumentando a cobertura inicial do grafeno.
4I é unha representación esquemática dunha heteroestrutura vertical sobre 4H, onde a dirección da fila de boro (frecha rosa) está moi aliñada coa dirección en zigzag do grafeno (frecha negra), formando así unha heteroestrutura vertical proporcional á rotación.
Para un coñecemento máis detallado dos matices do estudo, recoméndolle ollar и a el.
Epílogo
Este estudo demostrou que o borofeno é bastante capaz de formar heteroestruturas laterais e verticais co grafeno. Estes sistemas poden utilizarse no desenvolvemento de novos tipos de elementos bidimensionais utilizados en nanotecnoloxía, electrónica flexible e wearable, así como novos tipos de semicondutores.
Os propios investigadores cren que o seu desenvolvemento podería ser un poderoso impulso para as tecnoloxías relacionadas coa electrónica. Non obstante, aínda é difícil dicir con certeza que as súas palabras se farán proféticas. Polo momento, aínda queda moito por investigar, comprender e inventar para que aquelas ideas de ciencia ficción que enchen a mente dos científicos sexan unha realidade en toda regla.
Grazas por ler, teñades curiosidade e teñades unha boa semana rapaces. 🙂
Grazas por estar connosco. Gústanche os nosos artigos? Queres ver máis contido interesante? Apóyanos facendo un pedido ou recomendando a amigos, Desconto do 30 % para os usuarios de Habr nun análogo único de servidores de nivel de entrada, que inventamos nós para ti: (dispoñible con RAID1 e RAID10, ata 24 núcleos e ata 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 veces máis barato? Só aquí nos Países Baixos! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - desde $ 99! Ler sobre
Fonte: www.habr.com