“Mutacija je ključ za razotkrivanje misterija evolucije. Put razvoja od najjednostavnijeg organizma do dominantne biološke vrste traje tisućama godina. Ali svakih sto tisuća godina dolazi do oštrog skoka naprijed u evoluciji" (Charles Xavier, X-Men, 2000.). Ako odbacimo sve elemente znanstvene fantastike prisutne u stripovima i filmovima, onda su riječi profesora X sasvim istinite. Razvoj nečega uglavnom teče ravnomjerno, ali ponekad dolazi do skokova koji imaju veliki utjecaj na cijeli proces. To se ne odnosi samo na evoluciju vrsta, već i na evoluciju tehnologije, čiji su glavni pokretač ljudi, njihova istraživanja i izumi. Danas ćemo se upoznati sa studijom koja je, prema riječima njenih autora, pravi evolucijski skok u nanotehnologiji. Kako su znanstvenici sa Sveučilišta Northwestern (SAD) uspjeli stvoriti novu dvodimenzionalnu heterostrukturu, zašto su grafen i borofen odabrani kao osnova i kakva bi svojstva mogao imati takav sustav? O tome će nam reći izvješće istraživačke skupine. Ići.
Osnova istraživanja
Mnogo smo puta čuli izraz "grafen"; to je dvodimenzionalna modifikacija ugljika koja se sastoji od sloja ugljikovih atoma debljine 1 atoma. Ali "borofen" je izuzetno rijedak. Ovaj izraz odnosi se na dvodimenzionalni kristal koji se sastoji samo od atoma bora (B). Mogućnost postojanja borofena prvi put je predviđena još sredinom 90-ih, no u praksi je ta struktura dobivena tek 2015. godine.
Atomska struktura borofena sastoji se od trokutastih i heksagonalnih elemenata i posljedica je interakcije između dvocentričnih i višecentričnih veza u ravnini, što je vrlo tipično za elemente s nedostatkom elektrona, u koje spada i bor.
*Pod dvocentričnim i multicentričnim vezama podrazumijevamo kemijske veze – interakcije atoma koje karakteriziraju stabilnost molekule ili kristala kao jedinstvene strukture. Na primjer, veza s dva centra i dva elektrona javlja se kada 2 atoma dijele 2 elektrona, a veza s dva centra i tri elektrona javlja se kada 2 atoma i 3 elektrona, itd.
S fizičkog gledišta, borofen je možda jači i fleksibilniji od grafena. Također se vjeruje da bi borofenske strukture mogle biti učinkovita nadopuna za baterije jer borofen ima visok specifični kapacitet i jedinstvenu elektronsku vodljivost i svojstva transporta iona. Međutim, u ovom trenutku to je samo teorija.
Biće trovalentni element*bor ima najmanje 10 alotropi*. U dvodimenzionalnom obliku, slično polimorfizam* također se promatra.
Trovalentni element* sposobni za stvaranje tri kovalentne veze, čija je valencija tri.
alotropija* - kada se jedan kemijski element može predstaviti u obliku dviju ili više jednostavnih tvari. Kao primjer, ugljik - dijamant, grafen, grafit, ugljikove nanocijevi itd.
Polimorfizam* - sposobnost tvari da postoji u različitim kristalnim strukturama (polimorfne modifikacije). U slučaju jednostavnih tvari, ovaj izraz je sinonim za alotropiju.
S obzirom na ovaj široki polimorfizam, predlaže se da bi borofen mogao biti izvrstan kandidat za stvaranje novih dvodimenzionalnih heterostruktura, budući da bi različite konfiguracije vezivanja bora trebale ublažiti zahtjeve za usklađivanjem rešetki. Nažalost, ovo se pitanje dosad proučavalo isključivo na teorijskoj razini zbog poteškoća u sintezi.
Za konvencionalne 2D materijale dobivene iz skupnih slojevitih kristala, vertikalne heterostrukture mogu se realizirati mehaničkim slaganjem. S druge strane, dvodimenzionalne lateralne heterostrukture temelje se na sintezi odozdo prema gore. Atomski precizne lateralne heterostrukture imaju veliki potencijal u rješavanju problema funkcionalne kontrole heterospoja, međutim, zbog kovalentne veze, nesavršeno podudaranje rešetke obično rezultira širokim i neuređenim sučeljima. Dakle, potencijala ima, ali ima i problema u realizaciji.
U ovom radu istraživači su uspjeli integrirati borofen i grafen u jednu dvodimenzionalnu heterostrukturu. Unatoč neusklađenosti kristalografske rešetke i simetriji između borofena i grafena, sekvencijalno taloženje ugljika i bora na Ag(111) supstrat pod ultra visokim vakuumom (UHV) rezultira gotovo atomski preciznim bočnim heterosučeljima s predviđenim poravnanjem rešetke, kao i vertikalnim heterosučeljima .
Priprema za istraživanje
Prije proučavanja heterostrukture, ona je morala biti proizvedena. Rast grafena i borofena proveden je u ultravisokoj vakuumskoj komori s tlakom od 1x10-10 milibara.
Jednokristalni Ag(111) supstrat je očišćen ponovljenim ciklusima raspršivanja Ar+ (1 x 10-5 milibara, 800 eV, 30 minuta) i toplinskog žarenja (550 °C, 45 minuta) kako bi se dobio atomski čist i ravan Ag( 111) površina.
Grafen je uzgojen isparavanjem elektronskim snopom čistog (99,997%) grafitnog štapića promjera 2.0 mm na Ag (750) podlogu zagrijanu na 111 °C pri struji zagrijavanja od ~ 1.6 A i naponu ubrzanja od ~ 2 kV. , što daje struju emisije od ~ 70 mA i tok ugljika ~ 40 nA. Tlak u komori bio je 1 x 10-9 milibara.
Borofen je uzgojen isparavanjem elektronskim snopom čistog (99,9999%) bora na podjednoslojnom grafenu na Ag (400) zagrijanom na 500-111 °C. Struja filamenta bila je ~1.5 A, a napon ubrzanja bio je 1.75 kV, što daje struju emisije od ~34 mA i tok bora od ~10 nA. Tlak u komori tijekom rasta borofena bio je približno 2 x 10-10 milibara.
Rezultati istraživanja
Slika #1
Na slici 1А prikazan STM* snimak uzgojenog grafena, gdje se domene grafena najbolje vizualiziraju pomoću karte dI/dV (1V), gdje I и V su struja tuneliranja i pomak uzorka, i d — gustoća.
STM* — skenirajući tunelski mikroskop.
dI/dV mape uzorka omogućile su nam da vidimo veću lokalnu gustoću stanja grafena u usporedbi s Ag(111) supstratom. U skladu s prethodnim studijama, površinsko stanje Ag (111) ima karakteristiku koraka, pomaknutu prema pozitivnim energijama za dI/dV spektar grafena (1S), što objašnjava veću lokalnu gustoću stanja grafena na 1V na 0.3 eV.
Na slici 1D možemo vidjeti strukturu jednoslojnog grafena, gdje je saćasta rešetka i moiré nadgradnja*.
Nadgradnja* - značajka strukture kristalnog spoja koja se ponavlja u određenom intervalu i tako stvara novu strukturu s različitim periodom izmjene.
Moire* - superpozicija dvaju periodičnih mrežastih uzoraka jedan na drugom.
Na nižim temperaturama rast dovodi do stvaranja dendritičnih i defektnih grafenskih domena. Zbog slabih interakcija između grafena i podloge, rotacijsko poravnanje grafena u odnosu na podlogu Ag(111) nije jedinstveno.
Nakon taloženja bora, skenirajuća tunelska mikroskopija (1E) pokazala je prisutnost kombinacije borofenskih i grafenskih domena. Na slici su također vidljiva područja unutar grafena, koja su kasnije identificirana kao grafen interkaliran s borofenom (naznačeno na slici Gr/B). Linearni elementi orijentirani u tri smjera i odvojeni kutom od 120° također su jasno vidljivi u ovom području (žute strelice).
Slika #2
Fotografija uključena 2АKao 1E, potvrđuju pojavu lokaliziranih tamnih udubljenja u grafenu nakon taloženja bora.
Kako bi se bolje ispitale ove formacije i otkrilo njihovo podrijetlo, snimljena je još jedna fotografija istog područja, ali korištenjem karti |dlnI/dz| (2B), gdje I — tunelska struja, d je gustoća, i z — odvajanje uzorka od sonde (razmak između igle mikroskopa i uzorka). Korištenje ove tehnike omogućuje dobivanje slika visoke prostorne rezolucije. Za to također možete koristiti CO ili H2 na igli mikroskopa.
Изображение 2S je slika dobivena korištenjem STM-a čiji je vrh obložen CO. Usporedba slika А, В и С pokazuje da su svi atomski elementi definirani kao tri susjedna svijetla šesterokuta usmjerena u dva neekvivalentna smjera (crveni i žuti trokuti na fotografijama).
Uvećane slike ovog područja (2D) potvrđuju da su ovi elementi u skladu s nečistoćama dopanta bora, zauzimajući dvije podrešetke grafena, kao što je naznačeno superponiranim strukturama.
Premaz CO igle mikroskopa omogućio je otkrivanje geometrijske strukture borofenske ploče (2E), što bi bilo nemoguće da je igla standardna (metalna) bez CO premaza.
Slika #3
Formiranje bočnih heterosučelja između borofena i grafena (3А) trebao bi se dogoditi kada borofen raste pored grafenskih domena koje već sadrže bor.
Znanstvenici podsjećaju da lateralna heterosučelja temeljena na grafenu-hBN (grafen + bor nitrid) imaju konzistentnost rešetke, a heterospojovi temeljeni na dihalkogenidima prijelaznih metala imaju konzistenciju simetrije. U slučaju grafena/borofena, situacija je nešto drugačija - oni imaju minimalnu strukturnu sličnost u smislu konstanti rešetke ili kristalne simetrije. Međutim, unatoč tome, bočno grafen/borofen heterosučelje pokazuje gotovo savršenu atomsku konzistenciju, sa smjerovima redova bora (B-red) usklađenim sa smjerovima cik-cak (ZZ) grafena (3А). Na 3V prikazana je uvećana slika ZZ regije heterosučelja (plave linije označavaju međufazne elemente koji odgovaraju kovalentnim vezama bor-ugljik).
Budući da borofen raste na nižoj temperaturi u usporedbi s grafenom, rubovi grafenske domene vjerojatno neće imati visoku pokretljivost pri formiranju heterosučelja s borofenom. Stoga je gotovo atomski precizno heterosučelje vjerojatno rezultat različitih konfiguracija i karakteristika borovih veza s više mjesta. Spektri skenirajuće tunelske spektroskopije (3S) i diferencijalna vodljivost tunela (3D) pokazuju da se elektronički prijelaz iz grafena u borofen događa na udaljenosti od ~5 Å bez vidljivih stanja međusklopa.
Na slici 3E Prikazana su tri spektra skenirajuće tunelske spektroskopije snimljena duž tri isprekidane linije u 3D, koji potvrđuju da je ovaj kratki elektronički prijelaz neosjetljiv na lokalne međufazne strukture i usporediv je s onim na borofen-srebrnim sučeljima.
Slika #4
grafen interkalacija* je također prethodno naširoko proučavan, ali je pretvorba interkalanata u prave 2D ploče relativno rijetka.
Interkalacija* - reverzibilno uključivanje molekule ili skupine 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 4А prikazani su dokazi ne samo o interkalaciji bora, već i o formiranju vertikalnih borofen-grafenskih heterostruktura, posebno trokutastih domena okruženih grafenom. Saćasta rešetka opažena na ovoj trokutastoj domeni potvrđuje prisutnost grafena. Međutim, ovaj grafen pokazuje nižu lokalnu gustoću stanja na -50 meV u usporedbi s okolnim grafenom (4V). U usporedbi s grafenom izravno na Ag(111), nema dokaza o visokoj lokalnoj gustoći stanja u spektru dI/dV (4C, plava krivulja), koja odgovara površinskom stanju Ag(111), prvi je dokaz interkalacije bora.
Također, kao što se očekuje za djelomičnu interkalaciju, grafenska rešetka ostaje kontinuirana kroz bočno sučelje između grafena i trokutastog područja (4D - odgovara pravokutnom području na 4А, zaokruženo crvenom točkastom linijom). Slika pomoću CO na igli mikroskopa također je potvrdila prisutnost nečistoća zamjene borom (4E - odgovara pravokutnom području na 4А, zaokruženo žutom točkastom linijom).
U analizi su također korištene mikroskopske igle bez ikakvog premaza. U ovom slučaju, znakovi jednodimenzionalnih linearnih elemenata s periodičnošću od 5 Å otkriveni su u interkaliranim grafenskim domenama (4F и 4G). Ove jednodimenzionalne strukture nalikuju redovima bora u borofenskom modelu. Osim skupa točaka koje odgovaraju grafenu, Fourierova transformacija slike u 4G prikazuje par ortogonalnih točaka koje odgovaraju pravokutnoj rešetki 3 Å x 5 Å (4N), što se izvrsno slaže s borofenskim modelom. Osim toga, uočena trostruka orijentacija niza linearnih elemenata (1E) dobro se slaže s istom prevladavajućom strukturom promatranom za borofenske ploče.
Sva ova opažanja snažno sugeriraju interkalaciju grafena borofenom u blizini rubova Ag, što posljedično dovodi do formiranja vertikalnih borofen-grafenskih heterostruktura, što se može povoljno ostvariti povećanjem početne pokrivenosti grafena.
4I je shematski prikaz vertikalne heterostrukture na 4H, gdje je smjer reda bora (ružičasta strelica) blisko poravnat s cik-cak smjerom grafena (crna strelica), tvoreći tako rotacijski proporcionalnu vertikalnu heterostrukturu.
Za detaljnije upoznavanje s nijansama studije, preporučujem da pogledate и njemu.
Epilog
Ova je studija pokazala da je borofen prilično sposoban formirati bočne i okomite heterostrukture s grafenom. Takvi sustavi mogu se koristiti u razvoju novih vrsta dvodimenzionalnih elemenata koji se koriste u nanotehnologiji, fleksibilnoj i nosivoj elektronici, kao i novih vrsta poluvodiča.
Sami istraživači vjeruju da bi njihov razvoj mogao biti snažan poticaj za tehnologije povezane s elektronikom. Međutim, još je uvijek teško sa sigurnošću reći hoće li njihove riječi postati proročke. U ovom trenutku ima još puno toga za istražiti, razumjeti i izmisliti kako bi one znanstvenofantastične ideje koje pune umove znanstvenika postale stvarnost.
Hvala na čitanju, ostanite znatiželjni i želim vam ugodan tjedan. 🙂
Hvala što ste ostali s nama. Sviđaju li vam se naši članci? Želite li vidjeti više zanimljivog sadržaja? Podržite nas narudžbom ili preporukom prijateljima, 30% popusta za korisnike Habra na jedinstveni analog početnih poslužitelja, koji smo izmislili za vas: (dostupno s RAID1 i RAID10, do 24 jezgre i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 puta jeftiniji? Samo ovdje u Nizozemskoj! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 USD! Pročitaj o
Izvor: www.habr.com