A mutáció a fejlődés titkának kulcsa. Az út a legegyszerűbb organizmustól a domináns biológiai fajig évezredekig tart. De minden százezer évben egy hirtelen ugrás történik az evolúcióban.” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ha elhanyagoljuk a tudományos-fantasztikus elemeket, amelyek a képregényekben és filmekben szerepelnek, Xavier professzor szavai teljesen igazak. A fejlődés általában egyenletesen halad az idő nagy részében, de néha ugrások lépnek fel, amelyek óriási hatást gyakorolnak az egész folyamatra. Ez nem csupán a fajok evolúciójára vonatkozik, hanem a technológia fejlődésére is, amelynek fő motorai az emberek, kutatásaik és találmányaik. Ma bemutatunk egy kutatást, amelynek szerzői szerint valóságos evolúciós ugrás a nanotecnológiákban. Hogyan sikerült a Northwestern Egyetem (USA) tudósainak létrehozni egy új kétdimenziós heterostruktúrát, miért választották alapanyagként a grafént és a borofén, és milyen tulajdonságokkal rendelkezhet egy ilyen rendszer? Erről fog beszélni a kutatócsoport előadása. Lássuk hát.
A kutatás alapja
A „grafén” kifejezést már sokszor hallottuk - ez a szén kétdimenziós módosulata, amely mindössze 1 atom vastagságú szénatomokból áll. Ezzel szemben a „borofén” rendkívül ritkán előfordul. Ez a kifejezés kizárólag bór (B) atomokból álló kétdimenziós kristályt jelöl. A borofén létezésének lehetőségét először az 1990-es évek közepén jósolták meg, de a gyakorlatban ezt a struktúrát csak 2015-re sikerült előállítani.
A borofén atomstrukturája háromszögletű és hatszögletű elemekből áll, és a két középpontos és sok középpontos, síkban belüli kötések kölcsönhatásának következménye, ami jellemző az elektronhiányos elemekre, köztük a bórra is.
*A két középpontos és sok középpontos kötések kémiai kölcsönhatásokat - atomok közötti interakciókat - jelentenek, amelyek jellemzik, hogy a molekula vagy kristály mint egységes struktúra mennyire stabil. Például a két középpontos, kétdimenziós kapcsolat akkor jön létre, amikor 2 atom megoszt 2 elektront, míg a két középpontos, három elektronos kapcsolat 2 atom és 3 elektron bevonásával, és így tovább.
Fizikai szempontból a borofen tartósabb és rugalmasabb lehet, mint a grafén. Emellett úgy vélik, hogy a borofen struktúrák hatékony kiegészítést jelenthetnek az akkumulátorok számára, mivel a borofen magas fajlagos kapacitással és egyedi elektronvezetési és ionátviteli tulajdonságokkal rendelkezik. Jelenleg azonban ez csak elmélet.
A háromértékű elem*alapján a bornak legalább 10 allotropja*van. Két dimenziós formában hasonló polimorfizmus* is megfigyelhető.
A háromértékű elem* képes három kovalens kötést kialakítani, melyeknek a vegyértéke három.
Az allotrópia* az, amikor egy kémiai elem két vagy több egyszerű anyag formájában jelenhet meg. Például a szén — gyémánt, grafén, grafit, szén nanotubusok stb.
A polimorfizmus* a szilárd anyagok különböző kristályos szerkezetekben (polimorf módosításokban) való létezésének képességét jelenti. Egyszerű anyagok esetében ez a kifejezés az allotrópiával szinonim.
Tekintettel a széleskörű polimorfizmusra, felmerül a lehetőség, hogy a borofen nagyszerű jelölt lehet új kétdimenziós heterostruktúrák létrehozására, mivel a bor különböző kötési konfigurációi csökkenthetik a kristályrács egyeztetésének követelményeit. Sajnos ezt a kérdést korábban csak elméleti szinten vizsgálták a szintézis nehézségei miatt.
A hagyományos 2D anyagok, amelyeket réteges kristályokból nyernek, vertikális heterostruktúrákként valósíthatók meg mechanikai elhelyezéssel. Ezzel szemben a kétdimenziós laterális heterostruktúrák felfelé irányuló szintézisre alapoznak. Az atompontosságú laterális heterostruktúráknak nagy potenciáljuk van a heterocsoport funkcionális képességei feletti ellenőrzési problémák megoldásában, de a kovalens kötés miatt a tökéletlen rács-egyeztetés általában széles és rendezetlen interfészekhez vezet. Ennek megfelelően potenciál van, de a megvalósításában is vannak problémák.
Ebben a munkában a kutatóknak sikerült integrálniuk a borofént és a graffént egy két dimenziós hibridszerkezetbe. Annak ellenére, hogy a borofén és a graffén kristályszerkezete és szimmetriája eltér, a szén és bór következetes üledékezése Ag(111) hordozóra ultra magas vákuumban (UHV) majdnem atomméretű oldalirányú heterointerfészekhez vezet, a predikált rácskivezetésekkel, valamint függőleges heterointerfészekkel.
Készülődés a kutatásra
A heteroszerkezet kutatása előtt azt elő kell állítani. A graffén és borofén növekedése ultra magas vákuumban, 1x10-10 millibar nyomás alatt zajlott.
Az Ag(111) monokristályos hordozót az Ar+ (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 perc) ismételt permetezési ciklusokkal és hőkezeléssel (550 °C, 45 perc) tisztították, hogy atomtisztán és sík felületet kapjanak.
A graffén növekedését 99,997%-os tisztaságú grafit rúd elektron-nyaláb-evaporációjával végezték, amelynek átmérője 2,0 mm, a 750 °C-ra felmelegített Ag(111) hordozón, körülbelül 1,6 A fűtési árammal és körülbelül 2 kV gyorsító feszültséggel, amely körülbelül 70 mA emissziós áramot és 40 nA szénáramot biztosít. A kamra nyomása 1 x 10-9 millibar volt.
A borofén növekedése a 99,9999%-os tisztaságú bór rúd elektron-nyaláb-evaporációjával történt egy 400-500 °C-ra felmelegített szubmonoszteres graffénen az Ag(111)-en. A fűtési áram körülbelül 1,5 A volt, és a gyorsító feszültség 1,75 kV, ami körülbelül 34 mA emissziós áramot és 10 nA bóráramot biztosított. A borofén növekedése során a kamra nyomása körülbelül 2 x 10-10 millibar volt.
A kutatás eredményei
Kép №1
A képen 1A megmutatta STM* a növesztett graffén képe, ahol a graffén domének a legjobban láthatók a térképpel dI/dV (1V), ahol I és V — tunneling áram és mintamozgás, valamint d — sűrűség.
STM* — pásztázó alagútmikroszkóp.
dI/dV A mintakép lehetővé tette, hogy láthassuk a graffén magasabb helyi állapot sűrűségét az Ag(111) hordozóhoz képest. A korábbi kutatások szerint az Ag(111) felületi állapot lépcsőzetes jellemzővel bír, amely eltolódik a pozitív energiák irányába a dI/dV graffén spektrumon (1C), ami magyarázza a graffén magasabb helyi állapot sűrűségét a 1V 0,3 eV-nál.
A képen 1D látjuk az egy rétegű graffén struktúráját, ahol a méhsejtes rács egyértelműen látható és moaré szuperstruktúra*.
Szuperstruktúra* — a kristályos vegyület struktúrájának egy jellemzője, amely bizonyos intervallummal ismétlődik, így új struktúrát hoz létre más periódusú váltakozással.
Moaré* — két periodikus rácsos mintázat egymásra helyezése.
Alacsonyabb hőmérsékleten a növekedés dendritikus és hibás grafén domainek kialakulásához vezet. A grafén és az alatta lévő hordozó közötti gyenge kölcsönhatások miatt a grafén forgatási irányának az alatti Ag (111) viszonyához nem egyedi.
A bór leülepedése után a pásztázó alagútmikroszkópiás (1E) felvételek a bórgrafén és grafén domainek jelenlétét mutatták. A felvételen láthatók a grafén belsejében lévő területek is, amelyeket később interkalált bórgrafénként határoztak meg (a felvételen megjelölve Gr/B). Ezen a területen jól láthatók a három irányba orientált vonalas elemek is, 120°-os szögben elválasztva (sárga nyilak).
2. kép
A felvétel 2A, akárcsak 1E, megerősíti a lokális sötét mélyedések (depressziók) megjelenését a grafénben a bór leülepedése után.
Annak érdekében, hogy jobban megvizsgáljuk ezeket a képződményeket és meghatározzuk eredetüket, készült egy újabb felvétel ugyanarról a területről a dln | képkártya alkalmazásával.I/dz| (2В), где I — alagútkonduktív áram, d — sűrűség, és z — távolság a szonda és a minta között (rés a mikroszkóp tűje és a minta között). E technika alkalmazása lehetővé teszi, hogy nagyobb térbeli felbontású képeket kapjunk. Ehhez CO-t vagy H2-t is alkalmazhatunk a mikroszkóp tűjén.
A felvétel 2C az STM által készített kép, amelynek tűje CO-val volt bevonva. A felvételek összehasonlítása A, A és Késleltetett streaming replikációt is beállíthatunk, de van néhány csapda, amelyek a replikációs slotokkal, a forró tartalék visszajelzésével stb. kapcsolatosak. A WAL archívum lehetővé teszi, hogy elkerüljük ezeket. megmutatja, hogy minden atomáris elem három, egymás mellett elhelyezkedő, fényes hatszögként van meghatározva, amelyek két nem ekvivalens irányba mutatnak (piros és sárga háromszögek a felvételeken).
A terület megnagyobbított képei (2D) megerősítik, hogy ezek az elemek összhangban vannak a bór legyengítő szennyeződéseivel, amelyek a grafén két alrácsát foglalják el, amit a ráhúzott struktúrák is jeleznek.
A mikroszkóp tűjének CO bevonata lehetővé tette a bórgrafén lap geometriájának feltárását (2E), ami normál (fém) tűvel, CO bevonat nélkül lehetetlen lett volna.
3. ábra
A grafén és a borofen közötti laterális hetero-interfaces kialakulása3Aakkor kell, hogy történjen, amikor a borofen a grafén tartományhoz közel nő, amely már tartalmaz borot.
A tudósok emlékeztetnek arra, hogy a grafén-hBN (grafén + bór-nitrid) alapú laterális hetero-interfaces rácsok összhangjával rendelkeznek, míg a fém-dikálcogénid alapú heteroátmenetek szimmetriákkal összhangban állnak. A grafén/borofen esetében a helyzet kissé eltérő – a rácsállandók vagy a kristályszerkezeti szimmetria szempontjából minimális szerkezeti hasonlósággal rendelkeznek. Azonban ennek ellenére a grafén/borofen laterális hetero-interface szinte tökéletes atomos összhangot mutat, ahol a bór sorok (B-sor) a grafén zigszag (ZZ) irányaival egybeesnek.3AA 3B ZZ hetero-interface területének nagyított képe látható (a kék vonalak a fázisok közötti elemeket jelölik, amelyek a bór-szén kovalens kötéseknek felelnek meg).
Mivel a borofen növekedése alacsonyabb hőmérsékleten zajlik, mint a graféné, a grafén tartomány szélei valószínűleg nem fognak magas mobilitással rendelkezni a borofennel való hetero-interface kialakítása során. Következésképpen a szinte atomos pontosságú hetero-interface valószínűleg a bór több központú kötések különböző konfigurációinak és jellemzőinek eredménye. A szkennelő alagútfeszültség spektrumok és a differenciális alagútfeszültség3C) azt mutatják, hogy az elektron átvitele a grafénből a borofenbe ~ 5 Å távolságon belül történik látható interface állapotok nélkül.3DA három spektrumot mutatják a szkennelő alagútfeszültségi mérés során, amelyeket a 3D három szaggatott vonal mentén készítettek, megerősítve, hogy ez a rövid elektronátvitel érzéketlen a helyi fázis közötti struktúrákra, és összehasonlítható a bórfen ezüst határainál tapasztalttal.
A képen 3E A grafénes
4. számú kép
interkaláció* korábban szintén széles körben tanulmányozták, de az interkalánsok valódi 2D-lemezekké való átalakulása viszonylag ritka jelenség. Interkaláció*
— egy molekula vagy molekulacsoport behatolása más molekulák vagy molekulacsoportok közé. A
A bór kis atomrádiusa és a grafén és az Ag (111) közötti gyenge kölcsönhatás lehetőséget ad a grafén és a bór interkalációjára. A képen 4A bizonyítékok találhatók arra, hogy nemcsak a bór interkalációja valósul meg, hanem a vertikális bórfen-grafén heterostruktúrák kialakulása is, különösen a grafén által körülvett háromszögletű domenok. A háromszögletú domenon megfigyelt rácsos szerkezet megerősíti a grafén jelenlétét. Azonban ez a grafén alacsonyabb lokális állapotsűrűséget mutat -50 meV-on az őt körülvevő grafénhez képest (4B). Az Ag (111) felületen található grafénhez viszonyítva a spektrumban a magas lokális állapotsűrűség jeleinek hiánya dI/dV (4C, a kék görbe), amely összefügg az Ag (111) felületi állapotával, az első bizonyíték a bór interkalációjára.
Ahogy az a részleges interkalációra vonatkozóan várható volt, a grafén rács folyamatos marad a grafén és a háromszög alakú terület közötti laterális interfészen (4D — a 4A, piros pontvonal keretezi). A mikroszkóp tűjével végzett képfelvétel is megerősítette a bór helyettesítő szennyezőanyagainak jelenlétét (4E — a 4A, sárga pontvonal keretezi).
Az elemzés során mikroszkóptűket is használtak bevonat nélkül. Ilyen esetben az interkalált grafén domenokban egy dimenziós vonalelemek jeleit észlelték 5 Å periodicitással (4F és 4G). Ezek az egy dimenziós struktúrák a bór sorait idézik meg bórfen modelljében. A grafénhez tartozó pontok készlete mellett a 4G Fourier-transzformált képe megjeleníti a 3 Å x 5 Å téglalap rácsának megfelelő pár ortogonális pontot (4N), ami tökéletesen összhangban áll a bórfen modellel. Ráadásul, a megfigyelt vonalelemek rácsának hármas orientációja (1E) jól illeszkedik a bórfen lapok esetében megfigyelt domináló struktúrához.
Mindezek a megfigyelések meggyőzően tanúsítják a grafén bórfennel való interkalációját az Ag széle közelében, ami így vertikális bórfen-grafén heterostruktúrák képződéséhez vezet, amelyek elsősorban a grafén kezdeti bevonatának növelésével valósíthatók meg.
4I a vertikális heterostruktúra schematikus ábrázolása 4H, ahol a bórsor irányát (rózsaszín nyíl) közel párhuzamosan igazítják a grafén hullámos irányához (fekete nyíl), így forgásilag összhangban lévő függőleges heterostruktúrát alkotva.
A kutatás részleteivel való alaposabb megismerkedéshez javaslom, hogy nézze meg a és hozzá.
Epilógus
Ez a kutatás azt mutatta, hogy a borofen képes laterális és függőleges heterostruktúrák létrehozására grafénnel. Az ilyen rendszerek új típusú kétdimenziós elemek fejlesztésében alkalmazhatók nanotechnológiákban, rugalmas és viselhető elektronikában, valamint új típusú félvezetőkben.
A kutatók maguk is úgy vélik, hogy fejlesztésük erőteljes lökést adhat az elektronikával kapcsolatos technológiák számára. Ugyanakkor nehéz biztosan állítani, hogy szavaik próféciává válnak. Jelenleg még sok felfedezni, megérteni és kitalálni való van, hogy a tudósok elméjét betöltő tudományos-fantasztikus ötletek valósággá váljanak.
Köszönöm a figyelmet, maradjatok kíváncsiak, és kívánok mindenkinek jó munkahétet, srácok. 🙂
Köszönjük, hogy velünk maradtál. Tetszenek a cikkeink? Szeretnél több érdekes anyagot látni? Támogass minket, és rendelés leadásával vagy ismerősöknek ajánlással segíts nekünk. 30% kedvezmény a Habr felhasználóinak az egyedülálló entry-level szervereinkre, amelyet Önöknek találtunk ki: (elérhetők RAID1 és RAID10 opciók, akár 24 magig és 40GB DDR4-ig).
Dell R730xd két alkalommal olcsóbban? Csak nálunk Hollandiában! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — 99 dollártól! Olvasd el ezt
Forrás: habr.com
