„Mutacija je ključ za otkrivanje tajne evolucije. Put razvoja od najjednostavnijih organizama do dominantne biološke vrste traje tisućljećima. No, svaka stotina tisuća godina događa se nagli skok naprijed u evoluciji“ (Charles Xavier, X-Men, 2000. godina). Ako zanemarimo sve znanstveno-fantastične elemente prisutne u stripovima i filmovima, riječi profesora X-a su sasvim istinite. Razvoj nečega odvija se ravnomjerno veći dio vremena, ali ponekad se događaju skokovi koji imaju ogroman utjecaj na cijeli proces. To se ne odnosi samo na evoluciju vrsta, već i na evoluciju tehnologija, čiji su glavni pokretači ljudi, njihova istraživanja i izumi. Danas ćemo se upoznati s istraživanjem koje njegovi autori smatraju pravim evolucijskim skokom u nanotehnologiji. Kako su znanstvenici s Northwestern University (SAD) uspjeli stvoriti novu dvodimenzionalnu heterostrukturu, zašto su grafen i borofen odabrani kao osnova i kakvim svojstvima može posjedovati takav sustav? O tome će nas obavijestiti izvješće istraživačke grupe. Krenimo.
Osnova istraživanja
Termin «grafen» smo već mnogo puta čuli — to je dvodimenzionalna modifikacija ugljika koja se sastoji od sloja atoma ugljika debljine 1 atom. S druge strane, «borofen» se rijetko spominje. Ovaj termin označava dvodimenzionalni kristal koji se sastoji isključivo od atoma bora (B). Prvi put je mogućnost postojanja borofena predviđena još sredinom 90-ih, ali je u praksi ova struktura mogla biti dobivena tek 2015. godine.
Atomska struktura borofena sastoji se od trokutastih i heksagonalnih elemenata i rezultat je interakcije između dvo-centrovih i više-centrovih unutar-plošnih veza, što je vrlo karakteristično za elemente s deficitom elektrona, među kojima spada i bor.
*Pod dvo-centrovim i više-centrovim vezama podrazumijevaju se kemijske veze — interakcije atoma koje karakteriziraju stabilnost molekula ili kristala kao jedinstvene strukture. Na primjer, dvo-centrova dvoelektronska veza nastaje kada 2 atoma dijele 2 elektrona, dok dvo-centrova trojelektromumna veza uključuje 2 atoma i 3 elektrona itd.
Gledano s fizičke strane, borofen može biti čvršći i fleksibilniji od grafena. Također se smatra da strukture borofena mogu biti učinkoviti dodaci za baterije, budući da borofen ima visoku specifičnu kapacitet i jedinstvena svojstva električne provodljivosti i prijenosa iona. Međutim, trenutno je to samo teorija.
Budući da je trovalentni element*, bor ima najmanje 10 alotropnih*. U dvolomrenoj formi sličan polimorfizam* se također promatra.
Trovalentni element* može formirati tri kovalentne veze čija je valentnost jednaka tri.
Alotropija* je kada se jedan kemijski element može predstaviti u obliku dvaju ili više jednostavnih tvari. Kao primjer, ugljik — dijamant, grafen, grafit, ugljikove nanocijevi itd.
Polimorfizam* znači sposobnost tvari da postoji u različitim kristalnim strukturama (polimorfnim modifikacijama). U slučaju jednostavnih tvari ovaj pojam je sinonim za allotropiju.
Uzimajući u obzir tako širok polimorfizam, nameće se pretpostavka da borofen može postati izvrstan kandidat za stvaranje novih dvolomrenih heterostruktura, budući da bi različite konfiguracije veza bora trebale oslabiti zahtjeve za usklađivanje kristalne rešetke. Nažalost, ranije se ovo pitanje istraživalo isključivo na teorijskoj razini zbog poteškoća u sintezi.
Za uobičajene 2D materijale, dobivene iz voluminoznih slojevitih kristala, vertikalne heterostrukture mogu se ostvariti mehaničkim rasporedom. S druge strane, dvolomrene lateralne heterostrukture temelje se na uzlaznoj sintezi. Atomčno točne lateralne heterostrukture imaju veliki potencijal u rješavanju problema s kontrolom funkcionalnih svojstava heteroprihoda, međutim, zbog kovalentne veze, nesavršeno usklađenje rešetke obično dovodi do širokih i neurednih sučelja. Stoga postoji potencijal, ali postoje i problemi u njegovoj realizaciji.
U ovom radu istraživačima je uspjelo integrirati borofen i grafen u jednu dvodimenzionalnu heterostrukturu. Unatoč nesukladnosti kristalografskih rešetki i simetrije između borofena i grafena, sekvencijalno taloženje ugljika i bora na podlogu od Ag(111) u ultra visokom vakuumu (UVV) dovodi do gotovo atomski preciznih lateralnih heterointerfejsa s predviđenim poravnanjima rešetke, kao i do vertikalnih heterointerfejsa.
Priprema za istraživanje
Prije istraživanja heterostrukture, bilo je potrebno izraditi je. Rastu grafena i borofena provedeni su u komori ultra visokog vakuuma s pritiskom od 1x10-10 milibara.
Monokristalna podloga Ag(111) čišćena je ponovljenim ciklusima isijavanja Ar+(1 x 10-5 milibara, energija 800 eV, 30 minuta) i termičkog opuštanja (550 °C, 45 minuta) kako bi se dobila atomski čista i ravna površina Ag(111).
Rast grafena vršen je putem elektronskog snopa isparavanja čistog (99,997%) grafitnog štapa promjera 2,0 mm na zagrijanoj do 750 °C podlozi Ag(111) pri struji zagrijavanja ~ 1,6 A i ubrzavajućem naponu od ~ 2 kV, što daje emisijsku struju ~ 70 mA i protok ugljika ~ 40 nA. Pražnjenje u komori iznosilo je 1 x 10-9 milibara.
Rast borofena vršen je putem elektronskog snopa isparavanja čistog (99,9999%) borovog štapa na zagrijanom do 400-500 °C submonosloju grafena na Ag(111). Struja zagrijavanja iznosila je ~ 1,5 A, a ubrzavajući napon 1,75 kV, što daje emisijsku struju ~ 34 mA i protok bora ~ 10 nA. Pražnjenje u komori tijekom rasta borofena bilo je otprilike 2 x 10-10 milibara.
Rezultati istraživanja
Slika br. 1
Na slici 1A prikazan STM* snimak rastegnutog grafena, gdje su grafenski domeni najbolje vidljivi pomoću karte dI/dV (1В), gdje I i V — tunelska struja i pomak uzorka, a d — gustoća.
STM* — skenirajući tunelski mikroskop.
dI/dV karte uzorka omogućile su uočavanje više lokalne gustoće stanja grafena u usporedbi s podlogom Ag(111). U skladu s prethodnim istraživanjima, površinsko stanje Ag(111) ima stepenasti karakter, pomaknut prema pozitivnim energijama na dI/dV spektrom grafena (1C), što objašnjava veću lokalnu gustoću stanja grafena na 1В na 0,3 eV.
Na slici 1D možemo vidjeti strukturu jednog sloja grafena, gdje je jasno vidljiva saćasta rešetka i moiré supersktura*.
Supersktura* — karakteristika strukture kristalnog spoja koja se ponavlja u određenim intervalima i tako stvara novu strukturu s drugim razdobljem izmjene.
Moiré* — preklapanje dviju periodičnih mrežastih uzoraka jedan preko drugog.
Na nižim temperaturama rast dovodi do formiranja dendritskih i defektnih grafenovih domena. Zbog slabih interakcija između grafena i donjeg supstrata, rotacijsko poravnavanje grafena u odnosu na donji Ag (111) nije jedinstveno.
Nakon taloženja bora, skenirajuća tunelna mikroskopija (1E) pokazala je prisutnost spoja borofenovih i grafenovih domena. Također se na snimku vide područja unutar grafena koja su kasnije definirana kao interkalirani borofen u grafenu (označeno na snimku Gr/B). U ovom području također su dobro vidljivi linearni elementi orijentirani u tri smjera i odvojeni kutom od 120 ° (žute strelice).
Slika br. 2
Snimak na 2A, kao i 1E, potvrđuju pojavu lokaliziranih tamnih udubljenja (depresija) u grafenu nakon taloženja bora.
Kako bismo bolje istražili te formacije i otkrili njihovo porijeklo, napravljena je još jedna snimka istog područja, ali s primjenom karata |dlnI/dz| (2В), где I — tunelski tok, d — gustoća, a z — razdjeljenje sonda-uzorak (razmak između igle mikroskopa i uzorka). Primjena ove metode omogućuje dobivanje slika s većom prostornom rezolucijom. Također se za to može koristiti CO ili H2 na igli mikroskopa.
Slika 2C je snimak dobiven pomoću STM-a, čija je igla bila prekrivena CO. Usporedba snimaka A, U i S pokazuje da se svi atomarni elementi definiraju kao tri susjedna svijetla heksagona, orijentirana u dva neekvivalentna smjera (crvene i žute trokuti na snimcima).
Povećane slike ovog područja (2D) potvrđuju da su ovi elementi u skladu s legirajućim nečistoćama bora, koje zauzimaju dvije podrešetke grafena, na što ukazuju i preklapajuće strukture.
CO premaz igle mikroskopa omogućio je otkrivanje geometrijske strukture lista borofena (2E), što ne bi bilo moguće da je igla bila standardna (metalna) bez CO premaza.
Slika br. 3
Formiranje lateralnih heterointerfaceta između borofena i grafena (3A) bi se trebalo dogoditi kada borofen raste pored grafenskih domena, u kojem već postoji bor.
Znanstvenici podsjećaju da lateralni heterointerfejsi na bazi grafen-hBN (grafen + nitrid bora) imaju usklađenost rešetki, dok heteroprihodi na bazi dikhalkogenida prijelaznih metala imaju usklađenost simetrija. U slučaju grafena/borofena situacija je malo drugačija — imaju minimalnu strukturnu sličnost s točke gledišta konstantnih rešetki ili kristalne simetrije. Međutim, unatoč tome, lateralni heterointerfejs grafen/borofen pokazuje praktički idealnu atomski usklađenost, pri čemu su smjerovi reda bora (B-row) usklađeni s zigzagastim (ZZ) smjerovima grafena (3A). Na 3B prikazana je povećana slika područja ZZ heterointerfejsa (plavim linijama označeni su međufazni elementi koji odgovaraju bor-karbonskim kovalentnim vezama).
Budući da se rast borofena odvija na nižoj temperaturi u usporedbi s grafenom, rubovi grafenskog domena vjerojatno neće imati veliku pokretljivost prilikom formiranja heterointerfejsa s borofen. Stoga, gotovo atomski precizan heterointerfejs vjerojatno je rezultat različitih konfiguracija i karakteristika višecentričnih veza bora. Spektri skenirajuće tunelske spektroskopije (3C) i diferencijalne tunelske provodljivosti (3D) pokazuju da se elektronski prijelaz s grafena na borofen odvija na udaljenosti od ~ 5 Å bez vidljivih stanja sučelja.
Na slici 3E prikazana su tri spektra skenirajuće tunelske spektroskopije, snimljena duž tri isprekidane linije na 3D, koja potvrđuju da je ovaj kratki elektronski prijelaz neosjetljiv na lokalne međufazne strukture i usporediv je sličnim na granicama borofen-srebro.
Slika br. 4
Grafenska interkalacija* također je ranije široko istraživana, međutim, pretvaranje interkalanta u stvarne 2D-liste relativno je rijetka pojava.
Interkalacija* je reverzibilno uključivanje molekula ili skupina molekula između drugih molekula ili skupina molekula.
Mali atomski radijus bora i slaba interakcija između grafena i Ag (111) sugeriraju moguću interkalaciju grafena s borom. Na slici 4A predstavljeni su dokazi ne samo o interkalaciji bora, već i o formiranju vertikalnih borofen-grafenovih heterostruktura, posebno trokutnih domena okruženih grafenom. Ćelijska rešetka koja se promatra na ovom trokutnom domenu potvrđuje prisutnost grafena. Međutim, ovaj grafen pokazuje nižu lokalnu gustoću stanja pri -50 meV u usporedbi s okolnim grafenom (4В). U usporedbi s grafenom neposredno na Ag (111) nema naznaka visoke lokalne gustoće stanja u spektru dI/dV (4C, plava krivulja), koja odgovara površinskom stanju Ag (111), je prvi dokaz interkalacije bora.
Također, kao što se i očekivalo za djelomičnu interkalaciju, grafenska rešetka ostaje neprekidna duž lateralnog sučelja između grafena i trokutnog područja (4D — odgovara pravokutnom području na 4A, označenom crvenom isprekidanom linijom). Snimak dobiven s pomoću SO na igli mikroskopa također je potvrdio prisutnost zamjenskih nečistoća bora (4E — odgovara pravokutnom području na 4A, označenih žutom isprekidanom linijom).
Tijekom analize korištene su i igle mikroskopa bez ikakvih premaza. U tom slučaju u interkaliranim grafenskim domenima uočeni su znakovi oddimenzionalnih linearnih elemenata s periodičnošću od 5 Å (4F i 4G). Ove oddimenzionalne strukture podsjećaju na redove bora u modelu borofena. Pored skupa točaka koje odgovaraju grafenu, Fourierova transformacija snimke na 4G prikazuje par ortogonalnih točaka koje odgovaraju pravokutnoj rešetki 3 Å x 5 Å (4Н), što se savršeno slaže s modelom borofena. Osim toga, uočena trostruka orijentacija rešetke linearnih elemenata (1E) dobro se poklapa s istom dominantnom strukturom koja se promatra za listove borofena.
Sva ova zapažanja uvjerljivo svjedoče o interkalaciji grafena borofenom u blizini rubova Ag, što, posljedično, dovodi do formiranja vertikalnih heterostruktura borofen-grafen, koje se mogu prvenstveno realizirati povećanjem početnog prekrivanja grafenom.
4I je shematski prikaz vertikalne heterostrukture na 4H, gdje je pravac niza bora (ružičasta strelica) blizu ravnomjernog usklađenja sa zigzag smjerom grafena (crna strelica), čime se oblikuje rotirajuća vertikalna heterostruktura.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama istraživanja preporučujem da zavirite u i za njega.
Epilog
Ova studija je pokazala da borofen može formirati lateralne i vertikalne heterostrukture s grafenom. Takvi sustavi mogu se koristiti u razvoju novih vrsta dvodimenzionalnih elemenata koji se primjenjuju u nanotehnologijama, fleksibilnoj i nosivoj elektronici, kao i u novim tipovima poluvodiča.
Sami istraživači smatraju da bi njihov razvoj mogao postati snažan poticaj za tehnologije povezane s elektronikom. Međutim, teško je unaprijed reći hoće li njihova predviđanja postati proročka. Trenutno još puno toga treba istražiti, razumjeti i izumiti kako bi se one znanstveno-fantastične ideje koje ispunjavaju umove znanstvenika ostvarile kao puna stvarnost.
Hvala na pažnji, ostanite radoznali i puno sreće u sljedećem radnom tjednu, ljudi. 🙂
Hvala što ostajete s nama. Sviđa li vam se naše članke? Želite li vidjeti više zanimljivih materijala? Podržite nas narudžbom ili preporučite prijateljima, 30% popusta za korisnike Habr-a na jedinstveni analog entry-level servera, koji smo stvorili za vas: (dostupne opcije s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40GB DDR4).
Dell R730xd za pola cijene? Samo kod nas u Nizozemskoj! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 $! Pročitajte o tome
Izvor: habr.com
