द्वि-आयामी युगल: बोरोफीन-ग्राफीन हेटरोस्ट्रक्चर का निर्माण

“उत्परिवर्तन विकास के रहस्य को जानने की कुंजी है। सबसे सरल जीव से प्रमुख जैविक प्रजाति तक विकास का मार्ग हजारों वर्षों तक चलता है। लेकिन हर सौ हज़ार साल में विकास में एक तेज़ छलांग लगती है" (चार्ल्स जेवियर, एक्स-मेन, 2000)। यदि हम कॉमिक्स और फिल्मों में मौजूद सभी विज्ञान-कल्पना तत्वों को छोड़ दें, तो प्रोफेसर एक्स की बातें बिल्कुल सच हैं। किसी चीज़ का विकास अधिकांश समय समान रूप से आगे बढ़ता है, लेकिन कभी-कभी ऐसे उछाल आते हैं जिनका पूरी प्रक्रिया पर भारी प्रभाव पड़ता है। यह न केवल प्रजातियों के विकास पर लागू होता है, बल्कि प्रौद्योगिकी के विकास पर भी लागू होता है, जिसका मुख्य चालक लोग, उनके अनुसंधान और आविष्कार हैं। आज हम एक अध्ययन से परिचित होंगे, जो इसके लेखकों के अनुसार, नैनो टेक्नोलॉजी में एक वास्तविक विकासवादी छलांग है। नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी (यूएसए) के वैज्ञानिकों ने एक नया द्वि-आयामी हेटरोस्ट्रक्चर बनाने का प्रबंधन कैसे किया, ग्राफीन और बोरोफेन को आधार के रूप में क्यों चुना गया, और ऐसी प्रणाली में क्या गुण हो सकते हैं? रिसर्च ग्रुप की रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी. जाना।

अनुसंधान आधार

हमने "ग्रैफ़ीन" शब्द कई बार सुना है; यह कार्बन का एक द्वि-आयामी संशोधन है, जिसमें कार्बन परमाणुओं की 1 परमाणु मोटी परत होती है। लेकिन "बोरोफेन" अत्यंत दुर्लभ है। यह शब्द एक द्वि-आयामी क्रिस्टल को संदर्भित करता है जिसमें केवल बोरान (बी) परमाणु होते हैं। बोरोफीन के अस्तित्व की संभावना की भविष्यवाणी सबसे पहले 90 के दशक के मध्य में की गई थी, लेकिन व्यवहार में इस संरचना को 2015 तक ही प्राप्त करना संभव हो सका।

बोरोफीन की परमाणु संरचना में त्रिकोणीय और हेक्सागोनल तत्व होते हैं और यह दो-केंद्र और बहु-केंद्र इन-प्लेन बॉन्ड के बीच बातचीत का परिणाम है, जो इलेक्ट्रॉन-कमी वाले तत्वों के लिए बहुत विशिष्ट है, जिसमें बोरान भी शामिल है।

*दो-केंद्र और बहुकेंद्रीय बंधन से हमारा तात्पर्य रासायनिक बंधन से है - परमाणुओं की परस्पर क्रिया जो एकल संरचना के रूप में अणु या क्रिस्टल की स्थिरता को दर्शाती है। उदाहरण के लिए, दो-केंद्र वाला दो-इलेक्ट्रॉन बंधन तब होता है जब 2 परमाणु 2 इलेक्ट्रॉन साझा करते हैं, और दो-केंद्र तीन-इलेक्ट्रॉन बंधन तब होता है जब 2 परमाणु और 3 इलेक्ट्रॉन आदि साझा करते हैं।

भौतिक दृष्टिकोण से, बोरोफीन ग्राफीन की तुलना में अधिक मजबूत और अधिक लचीला हो सकता है। यह भी माना जाता है कि बोरोफीन संरचनाएं बैटरियों के लिए एक प्रभावी पूरक हो सकती हैं क्योंकि बोरोफीन में उच्च विशिष्ट क्षमता और अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक चालकता और आयन परिवहन गुण होते हैं। हालाँकि, फिलहाल ये सिर्फ एक थ्योरी है.

होने के नाते त्रिसंयोजक तत्व*, बोरॉन में कम से कम 10 है एलोट्रोपेस*. द्वि-आयामी रूप में, समान बहुरूपता* भी मनाया जाता है.

त्रिसंयोजक तत्व* तीन सहसंयोजक बंधन बनाने में सक्षम, जिनकी संयोजकता तीन है।

एलोट्रॉपी* - जब एक रासायनिक तत्व को दो या दो से अधिक सरल पदार्थों के रूप में प्रस्तुत किया जा सकता है। उदाहरण के तौर पर कार्बन - हीरा, ग्राफीन, ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब आदि।

बहुरूपता* - किसी पदार्थ की विभिन्न क्रिस्टल संरचनाओं (बहुरूपी संशोधनों) में मौजूद रहने की क्षमता। सरल पदार्थों के मामले में, यह शब्द एलोट्रॉपी का पर्याय है।

इस व्यापक बहुरूपता को देखते हुए, यह सुझाव दिया गया है कि बोरोफेन नए द्वि-आयामी हेटरोस्ट्रक्चर बनाने के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार हो सकता है, क्योंकि विभिन्न बोरॉन बॉन्डिंग कॉन्फ़िगरेशन को जाली मिलान आवश्यकताओं को आराम देना चाहिए। दुर्भाग्य से, संश्लेषण में कठिनाइयों के कारण इस मुद्दे का पहले केवल सैद्धांतिक स्तर पर अध्ययन किया गया था।

थोक स्तरित क्रिस्टल से प्राप्त पारंपरिक 2डी सामग्रियों के लिए, यांत्रिक स्टैकिंग का उपयोग करके ऊर्ध्वाधर हेटरोस्ट्रक्चर को महसूस किया जा सकता है। दूसरी ओर, द्वि-आयामी पार्श्व हेटरोस्ट्रक्चर नीचे से ऊपर संश्लेषण पर आधारित होते हैं। परमाणु रूप से सटीक पार्श्व हेटरोस्ट्रक्चर में हेटेरोजंक्शन कार्यात्मक नियंत्रण समस्याओं को हल करने की काफी संभावनाएं हैं, हालांकि, सहसंयोजक बंधन के कारण, अपूर्ण जाली मिलान के परिणामस्वरूप आमतौर पर व्यापक और अव्यवस्थित इंटरफेस होते हैं। इसलिए, संभावनाएं तो हैं, लेकिन इसे साकार करने में समस्याएं भी हैं।

इस कार्य में, शोधकर्ता बोरोफीन और ग्राफीन को एक द्वि-आयामी हेटरोस्ट्रक्चर में एकीकृत करने में कामयाब रहे। बोरोफीन और ग्राफीन के बीच क्रिस्टलोग्राफिक जाली बेमेल और समरूपता के बावजूद, अल्ट्रा-हाई वैक्यूम (यूएचवी) के तहत एक एजी (111) सब्सट्रेट पर कार्बन और बोरान के अनुक्रमिक जमाव के परिणामस्वरूप अनुमानित जाली संरेखण के साथ-साथ ऊर्ध्वाधर हेटरोइंटरफेस के साथ लगभग परमाणु रूप से सटीक पार्श्व हेटरोइंटरफेस होते हैं। .

अध्ययन की तैयारी

हेटरोस्ट्रक्चर का अध्ययन करने से पहले, इसका निर्माण करना होगा। ग्राफीन और बोरोफीन का विकास 1x10-10 मिलीबार के दबाव के साथ एक अति-उच्च वैक्यूम कक्ष में किया गया था।

परमाणु रूप से स्वच्छ और सपाट Ag प्राप्त करने के लिए एकल क्रिस्टल Ag(111) सब्सट्रेट को Ar+ स्पटरिंग (1 x 10-5 मिलीबार, 800 eV, 30 मिनट) और थर्मल एनीलिंग (550 डिग्री सेल्सियस, 45 मिनट) के बार-बार चक्र द्वारा साफ किया गया था। 111) सतह..

ग्राफीन को 99,997 मिमी के व्यास के साथ एक शुद्ध (2.0%) ग्रेफाइट रॉड के इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण द्वारा एक एजी (750) सब्सट्रेट पर ~ 111 ए के ताप प्रवाह और ~ 1.6 केवी के त्वरित वोल्टेज पर 2 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया गया था। , जो ~70 mA का उत्सर्जन धारा और ~40 nA कार्बन फ्लक्स देता है। चैम्बर में दबाव 1 x 10-9 मिलीबार था।

बोरोफीन को शुद्ध (99,9999%) बोरॉन रॉड के इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण के माध्यम से एजी (400) पर 500-111 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किए गए सबमोनोलेयर ग्राफीन पर उगाया गया था। फिलामेंट करंट ~1.5 ए था और त्वरित वोल्टेज 1.75 केवी था, जो ~34 एमए का उत्सर्जन करंट और ~10 एनए का बोरॉन फ्लक्स देता है। बोरोफीन की वृद्धि के दौरान कक्ष में दबाव लगभग 2 x 10-10 मिलीबार था।

अध्ययन के परिणाम

छवि #1

छवि पर 1А दिखाया गया है एसटीएम* विकसित ग्राफीन का एक स्नैपशॉट, जहां मानचित्र का उपयोग करके ग्राफीन डोमेन को सबसे अच्छी तरह से देखा जाता है dI/dV (1V) कहाँ I и V टनलिंग करंट और नमूना विस्थापन हैं, और d - घनत्व।

एसटीएम* - स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप।

dI/dV नमूने के मानचित्रों ने हमें एजी(111) सब्सट्रेट की तुलना में ग्राफीन की अवस्थाओं का उच्च स्थानीय घनत्व देखने की अनुमति दी। पिछले अध्ययनों के अनुसार, एजी (111) की सतह की स्थिति में एक कदम विशेषता है, जो सकारात्मक ऊर्जा की ओर स्थानांतरित हो गई है dI/dV ग्राफीन का स्पेक्ट्रम (1S), जो ग्राफीन की अवस्थाओं के उच्च स्थानीय घनत्व की व्याख्या करता है 1V 0.3 ईवी पर।

छवि पर 1D हम सिंगल-लेयर ग्राफीन की संरचना देख सकते हैं, जहां छत्ते की जाली और मोइरे अधिरचना*.

अधिरचना* - एक क्रिस्टलीय यौगिक की संरचना की एक विशेषता जो एक निश्चित अंतराल पर दोहराई जाती है और इस प्रकार एक अलग वैकल्पिक अवधि के साथ एक नई संरचना बनाती है।

मोइरे* - एक दूसरे के ऊपर दो आवधिक जाल पैटर्न का सुपरपोजिशन।

कम तापमान पर, विकास से डेंड्राइटिक और दोषपूर्ण ग्राफीन डोमेन का निर्माण होता है। ग्राफीन और अंतर्निहित सब्सट्रेट के बीच कमजोर इंटरैक्शन के कारण, अंतर्निहित एजी (111) के संबंध में ग्राफीन का घूर्णी संरेखण अद्वितीय नहीं है।

बोरॉन जमाव के बाद, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी (1E) ने बोरोफीन और ग्राफीन डोमेन के संयोजन की उपस्थिति दिखाई। छवि में ग्राफीन के अंदर के क्षेत्र भी दिखाई दे रहे हैं, जिन्हें बाद में बोरोफीन के साथ जुड़े ग्राफीन के रूप में पहचाना गया (छवि में दर्शाया गया है) ग्रेड/बी). तीन दिशाओं में उन्मुख और 120° के कोण से अलग किए गए रैखिक तत्व भी इस क्षेत्र (पीले तीर) में स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं।

छवि #2

फ़ोटो चालू 2А, साथ ही साथ 1E, बोरान जमाव के बाद ग्राफीन में स्थानीयकृत अंधेरे अवसादों की उपस्थिति की पुष्टि करें।

इन संरचनाओं की बेहतर जांच करने और उनकी उत्पत्ति का पता लगाने के लिए, उसी क्षेत्र की एक और तस्वीर ली गई, लेकिन मानचित्रों का उपयोग करके |dlnI/dz| (2बी), कहां I - सुरंग धारा, d घनत्व है, और z - जांच-नमूना पृथक्करण (माइक्रोस्कोप सुई और नमूने के बीच का अंतर)। इस तकनीक के उपयोग से उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन वाली छवियां प्राप्त करना संभव हो जाता है। इसके लिए आप माइक्रोस्कोप सुई पर CO या H2 का भी उपयोग कर सकते हैं।

Изображение 2S एक एसटीएम का उपयोग करके प्राप्त की गई छवि है जिसकी नोक सीओ के साथ लेपित थी। छवियों की तुलना А, В и С दर्शाता है कि सभी परमाणु तत्वों को दो असमान दिशाओं (तस्वीरों में लाल और पीले त्रिकोण) में निर्देशित तीन आसन्न उज्ज्वल षट्भुज के रूप में परिभाषित किया गया है।

इस क्षेत्र की विस्तृत छवियाँ (2D) पुष्टि करें कि ये तत्व बोरान डोपेंट अशुद्धियों के साथ समझौते में हैं, जो दो ग्राफीन सबलैटिस पर कब्जा कर रहे हैं, जैसा कि सुपरइम्पोज़्ड संरचनाओं द्वारा दर्शाया गया है।

माइक्रोस्कोप सुई की सीओ कोटिंग ने बोरोफेन शीट की ज्यामितीय संरचना को प्रकट करना संभव बना दिया (2E), जो कि यदि सुई CO कोटिंग के बिना मानक (धातु) होती तो असंभव होता।

छवि #3

बोरोफीन और ग्राफीन के बीच पार्श्व हेटरोइंटरफेस का निर्माण (3А) तब घटित होना चाहिए जब बोरोफीन ग्राफीन डोमेन के बगल में बढ़ता है जिसमें पहले से ही बोरॉन होता है।

वैज्ञानिक याद दिलाते हैं कि ग्राफीन-एचबीएन (ग्राफीन + बोरान नाइट्राइड) पर आधारित पार्श्व हेटरोइंटरफेस में जालीदार स्थिरता होती है, और संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स पर आधारित हेटरोजंक्शन में समरूपता स्थिरता होती है। ग्राफीन/बोरोफीन के मामले में, स्थिति थोड़ी अलग है - उनमें जाली स्थिरांक या क्रिस्टल समरूपता के संदर्भ में न्यूनतम संरचनात्मक समानता है। हालाँकि, इसके बावजूद, पार्श्व ग्राफीन/बोरोफीन हेटेरोइंटरफ़ेस लगभग पूर्ण परमाणु स्थिरता प्रदर्शित करता है, जिसमें बोरॉन पंक्ति (बी-पंक्ति) दिशाएँ ग्राफीन के ज़िगज़ैग (जेडजेड) दिशाओं के साथ संरेखित होती हैं (3А). पर 3V हेटेरोइंटरफ़ेस के ZZ क्षेत्र की एक आवर्धित छवि दिखाई गई है (नीली रेखाएं बोरान-कार्बन सहसंयोजक बंधों के अनुरूप इंटरफ़ेशियल तत्वों को दर्शाती हैं)।

चूंकि बोरोफीन ग्राफीन की तुलना में कम तापमान पर बढ़ता है, इसलिए बोरोफीन के साथ हेटेरोइंटरफेस बनाते समय ग्राफीन डोमेन के किनारों में उच्च गतिशीलता होने की संभावना नहीं है। इसलिए, लगभग परमाणु रूप से सटीक हेटेरोइंटरफ़ेस संभवतः मल्टीसाइट बोरॉन बॉन्ड के विभिन्न विन्यास और विशेषताओं का परिणाम है। स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी स्पेक्ट्रा (3S) और अंतर सुरंग चालकता (3D) दिखाएँ कि ग्राफीन से बोरोफीन में इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण ~5 Å की दूरी पर होता है, जिसमें कोई दृश्यमान इंटरफ़ेस स्थिति नहीं होती है।

छवि पर 3E 3डी में तीन धराशायी रेखाओं के साथ लिए गए तीन स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी स्पेक्ट्रा दिखाए गए हैं, जो पुष्टि करते हैं कि यह छोटा इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण स्थानीय इंटरफेसियल संरचनाओं के प्रति असंवेदनशील है और बोरोफेन-सिल्वर इंटरफेस के बराबर है।

छवि #4

ग्राफीन अंतर्संबंध* पहले भी व्यापक रूप से अध्ययन किया गया है, लेकिन इंटरकलेंट का वास्तविक 2डी शीट में रूपांतरण अपेक्षाकृत दुर्लभ है।

अंतर्संबंध* - किसी अणु या अणुओं के समूह का अन्य अणुओं या अणुओं के समूहों के बीच प्रतिवर्ती समावेशन।

बोरॉन की छोटी परमाणु त्रिज्या और ग्राफीन और एजी (111) के बीच कमजोर अंतःक्रिया बोरॉन के साथ ग्राफीन के संभावित अंतर्संबंध का सुझाव देती है। छवि में 4А साक्ष्य न केवल बोरॉन अंतर्संबंध का प्रस्तुत किया गया है, बल्कि ऊर्ध्वाधर बोरोफीन-ग्राफीन हेटरोस्ट्रक्चर के गठन का भी है, विशेष रूप से ग्राफीन से घिरे त्रिकोणीय डोमेन का। इस त्रिकोणीय डोमेन पर देखी गई छत्ते की जाली ग्राफीन की उपस्थिति की पुष्टि करती है। हालाँकि, यह ग्राफीन आसपास के ग्राफीन की तुलना में -50 meV पर कम स्थानीय घनत्व प्रदर्शित करता है (4V). एजी(111) पर सीधे ग्राफीन की तुलना में, स्पेक्ट्रम में राज्यों के उच्च स्थानीय घनत्व का कोई सबूत नहीं है dI/dV (4C, नीला वक्र), एजी(111) सतह अवस्था के अनुरूप, बोरॉन अंतर्कलन का पहला प्रमाण है।

इसके अलावा, जैसा कि आंशिक अंतर्संबंध के लिए अपेक्षित है, ग्राफीन जाली ग्राफीन और त्रिकोणीय क्षेत्र के बीच पूरे पार्श्व इंटरफ़ेस में निरंतर बनी रहती है (4D - एक आयताकार क्षेत्र से मेल खाता है 4А, लाल बिंदीदार रेखा में परिचालित)। माइक्रोस्कोप सुई पर CO का उपयोग करते हुए एक छवि ने बोरॉन प्रतिस्थापन अशुद्धियों की उपस्थिति की भी पुष्टि की (4E - एक आयताकार क्षेत्र से मेल खाता है 4А, पीली बिंदीदार रेखा में परिचालित)।

विश्लेषण के दौरान बिना किसी कोटिंग वाली माइक्रोस्कोप सुइयों का भी उपयोग किया गया। इस मामले में, 5 Å की आवधिकता के साथ एक-आयामी रैखिक तत्वों के संकेत इंटरकलेटेड ग्राफीन डोमेन में प्रकट हुए थे (4F и 4G). ये एक-आयामी संरचनाएं बोरोफीन मॉडल में बोरान पंक्तियों से मिलती जुलती हैं। ग्राफीन के अनुरूप बिंदुओं के सेट के अलावा, फूरियर छवि को रूपांतरित करता है 4G 3 Å x 5 Å आयताकार जाली के अनुरूप ऑर्थोगोनल बिंदुओं की एक जोड़ी प्रदर्शित करता है (4Н), जो बोरोफीन मॉडल के साथ उत्कृष्ट समझौते में है। इसके अलावा, रैखिक तत्वों की सरणी का मनाया गया ट्रिपल ओरिएंटेशन (1E) बोरोफीन शीट्स के लिए देखी गई समान प्रमुख संरचना से अच्छी तरह सहमत है।

ये सभी अवलोकन एजी के किनारों के पास बोरोफीन द्वारा ग्राफीन के अंतर्संबंध का दृढ़ता से सुझाव देते हैं, जिसके परिणामस्वरूप ऊर्ध्वाधर बोरोफीन-ग्राफीन हेटरोस्ट्रक्चर का निर्माण होता है, जिसे ग्राफीन के प्रारंभिक कवरेज को बढ़ाकर लाभप्रद रूप से महसूस किया जा सकता है।

4I पर एक ऊर्ध्वाधर हेटरोस्ट्रक्चर का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है 4H, जहां बोरान पंक्ति (गुलाबी तीर) की दिशा ग्राफीन (काला तीर) की ज़िगज़ैग दिशा के साथ निकटता से संरेखित होती है, इस प्रकार एक घूर्णी आनुपातिक ऊर्ध्वाधर हेटरोस्ट्रक्चर बनता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं देखने की सलाह देता हूं वैज्ञानिकों की रिपोर्ट и अतिरिक्त सामग्री उसे।

उपसंहार

इस अध्ययन से पता चला कि बोरोफीन ग्राफीन के साथ पार्श्व और ऊर्ध्वाधर हेटरोस्ट्रक्चर बनाने में काफी सक्षम है। ऐसी प्रणालियों का उपयोग नैनोटेक्नोलॉजी, लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले नए प्रकार के द्वि-आयामी तत्वों के साथ-साथ नए प्रकार के अर्धचालकों के विकास में किया जा सकता है।

शोधकर्ता स्वयं मानते हैं कि उनका विकास इलेक्ट्रॉनिक्स-संबंधित प्रौद्योगिकियों के लिए एक शक्तिशाली धक्का हो सकता है। हालाँकि, यह निश्चित रूप से कहना अभी भी मुश्किल है कि उनके शब्द भविष्यसूचक बन जायेंगे। फिलहाल, अभी भी बहुत कुछ शोध, समझा और आविष्कार किया जाना बाकी है ताकि वैज्ञानिकों के दिमाग में भरे विज्ञान कथा विचार पूर्ण वास्तविकता बन सकें।

पढ़ने के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और आपका सप्ताह मंगलमय हो दोस्तों। 🙂

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स्रोत: www.habr.com