„A mutáció a kulcs az evolúció titkának megfejtéséhez. A fejlődés útja a legegyszerűbb organizmustól a domináns biológiai fajig több ezer évig tart. De minden százezer évben éles ugrás történik az evolúcióban” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ha elvetjük a képregényekben és filmekben előforduló összes tudományos-fantasztikus elemet, akkor X professzor szavai teljesen igazak. Valaminek a fejlődése legtöbbször egyenletesen halad, de néha vannak olyan ugrások, amelyek óriási hatással vannak az egész folyamatra. Ez nemcsak a fajok evolúciójára vonatkozik, hanem a technológia fejlődésére is, amelynek fő mozgatórugója az ember, kutatásaik és találmányai. Ma egy tanulmánnyal ismerkedünk meg, amely szerzői szerint igazi evolúciós ugrás a nanotechnológiában. Hogyan tudtak a Northwestern Egyetem (USA) tudósai új, kétdimenziós heterostruktúrát létrehozni, miért választották a grafént és a borofént alapjául, és milyen tulajdonságai lehetnek egy ilyen rendszernek? Erről a kutatócsoport beszámolója fog mesélni. Megy.
Kutatási alap
Sokszor hallottuk a „grafén” kifejezést, ez a szén kétdimenziós módosulata, amely 1 atom vastagságú szénatomrétegből áll. De a „borofen” rendkívül ritka. Ez a kifejezés olyan kétdimenziós kristályra vonatkozik, amely kizárólag bór (B) atomokból áll. A borofén létezésének lehetőségét először még a 90-es évek közepén jósolták, de a gyakorlatban csak 2015-re sikerült megszerezni ezt a szerkezetet.
A borofén atomi szerkezete három- és hatszögletű elemekből áll, és a két- és többcentrikus síkbeli kötések kölcsönhatásának következménye, ami nagyon jellemző az elektronhiányos elemekre, köztük a bórra.
*A két- és többcentrikus kötések alatt kémiai kötéseket értünk - az atomok kölcsönhatásait, amelyek egy molekula vagy kristály, mint egyetlen szerkezet stabilitását jellemzik. Például egy kétközpontú kételektronos kötés akkor jön létre, ha 2 atom 2 elektronon osztozik, és egy kétközpontú háromelektronos kötés, ha 2 atom és 3 elektron stb.
Fizikai szempontból a borofén erősebb és rugalmasabb lehet, mint a grafén. Azt is gondolják, hogy a borofén szerkezetek hatékony kiegészítői lehetnek az akkumulátoroknak, mivel a borofén nagy fajlagos kapacitással és egyedülálló elektronikus vezetőképességgel és iontranszport tulajdonságokkal rendelkezik. Ez azonban jelenleg csak egy elmélet.
lét háromértékű elem*, a bórnak legalább 10 allotrópok*. Kétdimenziós formában, hasonló polimorfizmus* is megfigyelhető.
Háromértékű elem* három kovalens kötés kialakítására képes, amelyek vegyértéke három.
Allotrópia* - ha egy kémiai elem két vagy több egyszerű anyag formájában is bemutatható. Például szén - gyémánt, grafén, grafit, szén nanocsövek stb.
polimorfizmus* - egy anyag azon képessége, hogy különböző kristályszerkezetekben létezzen (polimorf módosulások). Egyszerű anyagok esetében ez a kifejezés az allotrópia szinonimája.
Tekintettel erre a széles polimorfizmusra, azt javasolják, hogy a borofén kiváló jelölt lehet új kétdimenziós heterostruktúrák létrehozására, mivel a különböző bórkötési konfigurációknak enyhíteniük kell a rácsillesztési követelményeket. Sajnos ezt a kérdést korábban kizárólag elméleti szinten tanulmányozták a szintézis nehézségei miatt.
Az ömlesztett réteges kristályokból nyert hagyományos 2D anyagoknál függőleges heterostruktúrák valósíthatók meg mechanikus egymásra rakással. Másrészt a kétdimenziós laterális heterostruktúrák alulról felfelé irányuló szintézisen alapulnak. Az atomilag precíz laterális heterostruktúrák nagy lehetőségeket rejtenek a heterojunkciós funkcionális szabályozási problémák megoldásában, azonban a kovalens kötés miatt a tökéletlen rácsillesztés jellemzően széles és rendezetlen interfészeket eredményez. Ezért van lehetőség, de vannak problémák a megvalósításában is.
Ebben a munkában a kutatóknak sikerült a borofént és a grafént egyetlen kétdimenziós heterostruktúrába integrálniuk. A bór és grafén közötti krisztallográfiai rács eltérés és szimmetria ellenére a szén és a bór Ag(111) szubsztrátumra ultra-nagy vákuumban (UHV) történő egymás utáni lerakódása csaknem atomosan pontos laterális heterointerfészt eredményez, előrejelzett rácsigazításokkal, valamint függőleges heterointerfészek. .
Tanulmányi előkészítés
A heterostruktúra tanulmányozása előtt le kellett készíteni. A grafén és a borofén szaporítását ultra-nagy vákuumkamrában végeztük, 1x10-10 millibar nyomással.
Az egykristályos Ag(111) szubsztrátot ismételt Ar+ porlasztással (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 perc) és termikus lágyítással (550 °C, 45 perc) tisztítottuk, hogy atomosan tiszta és lapos Ag-t kapjunk. 111) felület.
A grafént egy tiszta (99,997%) 2.0 mm átmérőjű grafitrúd elektronsugaras bepárlásával növesztettük 750 °C-ra melegített Ag (111) szubsztrátumon ~ 1.6 A fűtőárammal és ~ 2 kV gyorsítófeszültséggel. , amely ~ 70 mA emissziós áramot és ~40 nA szénáramot ad. A kamrában a nyomás 1 x 10-9 millibar volt.
A borofént tiszta (99,9999%) bórúd elektronsugaras bepárlásával növesztettük 400-500 °C-ra melegített Ag (111) szubmonorétegű grafénre. Az izzószál árama ~1.5 A, a gyorsító feszültség 1.75 kV volt, ami ~34 mA emissziós áramot és ~10 nA bór fluxust ad. A kamrában a nyomás a borofén növekedése alatt körülbelül 2 x 10-10 millibar volt.
Kutatási eredmények
1. kép
A képen 1А Látható STM* egy pillanatfelvétel a megnövekedett grafénről, ahol a grafén doméneket térkép segítségével lehet a legjobban megjeleníteni dI/dV (1V) hol I и V az alagútáram és a minta elmozdulása, és d - sűrűség.
STM* — pásztázó alagútmikroszkóp.
dI/dV A minta térképei lehetővé tették, hogy a grafén állapotának nagyobb helyi sűrűségét lássuk az Ag(111) szubsztráthoz képest. Korábbi tanulmányok szerint az Ag (111) felületi állapota lépcsőzetes karakterisztikával rendelkezik, amelyet a pozitív energiák felé tolnak el. dI/dV grafén spektruma (1S), ami megmagyarázza a grafén állapotának nagyobb helyi sűrűségét 1V 0.3 eV-on.
A képen 1D az egyrétegű grafén szerkezetét láthatjuk, ahol jól látható a méhsejt-rács és moaré felépítmény*.
Felépítmény* - a kristályos vegyület szerkezetének olyan sajátossága, amely bizonyos időközönként ismétlődik, és így új szerkezetet hoz létre eltérő váltakozási periódussal.
Moaré* - két periodikus hálóminta egymásra helyezése.
Alacsonyabb hőmérsékleten a növekedés dendrites és hibás graféndomének kialakulásához vezet. A grafén és az alatta lévő szubsztrát közötti gyenge kölcsönhatások miatt a grafén forgási elrendezése a mögöttes Ag-hez (111) képest nem egyedi.
Bórleválasztás után pásztázó alagútmikroszkópia (1E) borofén és grafén domének kombinációjának jelenlétét mutatta ki. A képen a grafén belsejében lévő régiók is láthatók, amelyeket később borofénnel interkalált grafénként azonosítottak (a képen látható Gr/B). Ezen a területen jól láthatóak a három irányba orientált, 120°-os szöggel elválasztott lineáris elemek is (sárga nyilak).
2. kép
Fénykép bekapcsolva 2АMint 1E, megerősítik a lokalizált sötét mélyedések megjelenését a grafénben a bórlerakódás után.
Ezen képződmények jobb vizsgálata és eredetük felderítése érdekében egy másik fénykép készült ugyanarról a területről, de térképek |dlnI/dz| (2B), ahol I - alagútáram, d a sűrűség, és z — a szonda és a minta szétválasztása (a mikroszkóp tűje és a minta közötti rés). Ennek a technikának a használata lehetővé teszi nagy térbeli felbontású képek készítését. Ehhez használhat CO vagy H2-t is a mikroszkóp tűjén.
Изображение 2S egy olyan kép, amelyet egy STM-mel készítettek, amelynek hegyét CO-val vonták be. Képek összehasonlítása А, В и С ábrán látható, hogy az összes atomelemet három szomszédos fényes hatszögként határozzák meg, amelyek két nem egyenértékű irányba vannak irányítva (piros és sárga háromszög a fényképeken).
Kinagyított képek erről a területről (2D) megerősítik, hogy ezek az elemek megegyeznek a bór dópoló szennyeződésekkel, amelyek két grafén részrácsot foglalnak el, amint azt az egymásra helyezett szerkezetek jelzik.
A mikroszkóp tű CO bevonata lehetővé tette a borofén lap geometriai szerkezetének feltárását (2E), ami lehetetlen lenne, ha a tű szabványos (fém) lenne CO bevonat nélkül.
3. kép
Oldalsó heterointerfészek kialakulása a borofén és a grafén között (3А) akkor fordulhat elő, amikor a borofén olyan graféndomének mellett nő, amelyek már tartalmaznak bórt.
A tudósok emlékeztetnek arra, hogy a grafén-hBN (grafén + bór-nitrid) alapú oldalsó heterointerfészek rács-konzisztenciájúak, az átmenetifém-dikalkogenideken alapuló heterocsatlakozások pedig szimmetriakonzisztenciával rendelkeznek. A grafén/borofén esetében némileg más a helyzet – minimális szerkezeti hasonlóságuk van a rácsállandók vagy a kristályszimmetria tekintetében. Ennek ellenére azonban az oldalsó grafén/borofén heterointerfész szinte tökéletes atomi konzisztenciát mutat, a bórsor (B-sor) irányai igazodnak a grafén cikcakkos (ZZ) irányaihoz (3А). Tovább 3V a heterointerfész ZZ régiójának nagyított képe látható (a kék vonalak a bór-szén kovalens kötéseknek megfelelő határfelületi elemeket jelölik).
Mivel a borofén alacsonyabb hőmérsékleten növekszik, mint a grafén, a grafén domén szélei valószínűleg nem rendelkeznek nagy mobilitással, amikor heterointerfészt képeznek a borofénnel. Ezért a közel atomosan pontos heterointerfész valószínűleg a többhelyes bórkötések eltérő konfigurációinak és jellemzőinek az eredménye. Pásztázó alagút spektroszkópiai spektrumok (3S) és differenciális alagút vezetőképesség (3D) azt mutatják, hogy az elektronikus átmenet a grafénről a borofénre ~ 5 Å távolságon megy végbe, látható interfész állapotok nélkül.
A képen 3E Három pásztázó alagút spektroszkópiai spektrum látható a három szaggatott vonal mentén 3D-ben, amelyek megerősítik, hogy ez a rövid elektronikus átmenet érzéketlen a helyi határfelületi struktúrákra, és összehasonlítható a borofén-ezüst interfészeknél tapasztaltakkal.
4. kép
Grafén beiktatás* korábban is széles körben tanulmányozták, de az interkalánsok valódi 2D lapokká való átalakítása viszonylag ritka.
Beiktatás* - egy molekula vagy molekulacsoport reverzibilis beépítése más molekulák vagy molekulacsoportok közé.
A bór kis atomi sugara, valamint a grafén és az Ag(111) közötti gyenge kölcsönhatás a grafén és a bór lehetséges interkalációjára utal. A képen 4А nem csak a bór interkalációját mutatják be, hanem a vertikális borofén-grafén heterostruktúrák kialakulását is, különösen a grafénnel körülvett háromszög alakú doméneket. Az ezen a háromszög alakú doménen megfigyelt méhsejt-rács megerősíti a grafén jelenlétét. Ez a grafén azonban -50 meV-on alacsonyabb helyi állapotsűrűséget mutat, mint a környező grafén (4V). A közvetlenül Ag(111)-en lévő grafénhez képest nincs bizonyíték arra, hogy a spektrumban nagy lokális állapotsűrűség lenne. dI/dV (4C, kék görbe), amely megfelel az Ag(111) felületi állapotnak, a bór interkaláció első bizonyítéka.
Ezenkívül, ahogy az a részleges interkalációnál várható, a grafénrács folyamatos marad a grafén és a háromszög alakú régió közötti oldalirányú határfelületen (4D - egy téglalap alakú területnek felel meg 4А, piros pontozott vonallal bekarikázva). A mikroszkóp tűjén CO-t használó kép is megerősítette a bór helyettesítő szennyeződések jelenlétét (4E - egy téglalap alakú területnek felel meg 4А, sárga szaggatott vonallal bekarikázva).
Az elemzés során bevonat nélküli mikroszkóp tűket is használtunk. Ebben az esetben 5 Å periodicitású egydimenziós lineáris elemek jelei mutatkoztak meg az interkalált grafén doménekben (4F и 4G). Ezek az egydimenziós szerkezetek a borofén modell bórsoraihoz hasonlítanak. A grafénnek megfelelő ponthalmaz mellett a kép Fourier-transzformációja 4G egy 3 Å x 5 Å téglalap alakú rácsnak megfelelő merőleges pontpárt jelenít meg (4H), ami kiváló összhangban van a borofén modellel. Ezenkívül a lineáris elemek tömbjének megfigyelt hármas orientációja (1E) jól egyezik a borofén lemezeknél megfigyelt domináns szerkezettel.
Mindezek a megfigyelések erősen arra utalnak, hogy az Ag szélei közelében a grafén borofén interkalálódik, ami következésképpen függőleges borofén-grafén heterostruktúrák kialakulásához vezet, ami előnyösen megvalósítható a grafén kezdeti lefedettségének növelésével.
4I egy függőleges heterostruktúra sematikus ábrázolása 4H, ahol a bórsor (rózsaszín nyíl) iránya szorosan illeszkedik a grafén cikkcakk irányához (fekete nyíl), így egy forgásarányos függőleges heterostruktúra alakul ki.
A tanulmány árnyalatainak részletesebb megismeréséhez javaslom, hogy tekintse meg и neki.
Epilógus
Ez a tanulmány kimutatta, hogy a borofén meglehetősen képes oldalsó és függőleges heterostruktúrákat kialakítani a grafénnel. Az ilyen rendszerek a nanotechnológiában használt új típusú kétdimenziós elemek, a rugalmas és hordható elektronika, valamint az új típusú félvezetők kifejlesztésében is használhatók.
Maguk a kutatók úgy vélik, hogy fejlesztésük erőteljes előrelépést jelenthet az elektronikával kapcsolatos technológiák számára. Azt azonban még mindig nehéz biztosan megmondani, hogy szavaik prófétaiak lesznek. Jelenleg még sokat kell kutatni, megérteni és kitalálni, hogy azok a sci-fi ötletek, amelyek a tudósok elméjét betöltik, teljes értékű valósággá váljanak.
Köszönöm, hogy elolvastad, maradjatok kíváncsiak és további szép hetet srácok. 🙂
Köszönjük, hogy velünk tartott. Tetszenek cikkeink? További érdekes tartalmakat szeretne látni? Támogass minket rendeléssel vagy ajánlj ismerőseidnek, 30% kedvezmény a Habr felhasználóknak a belépő szintű szerverek egyedülálló analógjára, amelyet mi találtunk ki Önnek: (RAID1 és RAID10, akár 24 maggal és akár 40 GB DDR4-gyel is elérhető).
Dell R730xd kétszer olcsóbb? Csak itt Hollandiában! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollártól! Olvasni valamiről
Forrás: will.com