Երկչափ դուետ՝ բորոֆեն-գրաֆեն հետերոկառուցվածքների ստեղծում

«Մուտացիան էվոլյուցիայի առեղծվածը բացահայտելու բանալին է: Զարգացման ճանապարհը ամենապարզ օրգանիզմից մինչև գերիշխող կենսաբանական տեսակը տևում է հազարավոր տարիներ։ Բայց ամեն հարյուր հազար տարին մեկ էվոլյուցիայի մեջ կտրուկ թռիչք է տեղի ունենում» (Charles Xavier, X-Men, 2000): Եթե ​​մենք հրաժարվենք կոմիքսներում և ֆիլմերում առկա բոլոր գիտաֆանտաստիկ տարրերից, ապա պրոֆեսոր X-ի խոսքերը միանգամայն ճիշտ են։ Ինչ-որ բանի զարգացումը ժամանակի մեծ մասում ընթանում է հավասարաչափ, բայց երբեմն լինում են թռիչքներ, որոնք հսկայական ազդեցություն են ունենում ողջ գործընթացի վրա: Սա վերաբերում է ոչ միայն տեսակների էվոլյուցիային, այլ նաև տեխնոլոգիայի էվոլյուցիային, որի հիմնական շարժիչ ուժը մարդիկ են, նրանց հետազոտություններն ու գյուտերը։ Այսօր մենք կծանոթանանք մի հետազոտության, որը, ըստ դրա հեղինակների, իսկական էվոլյուցիոն թռիչք է նանոտեխնոլոգիայի ոլորտում։ Ինչպե՞ս են Հյուսիսարևմտյան համալսարանի (ԱՄՆ) գիտնականներին հաջողվել ստեղծել նոր երկչափ հետերոկառուցվածք, ինչո՞ւ են հիմք ընտրվել գրաֆենը և բորոֆենը, և ի՞նչ հատկություններ կարող է ունենալ նման համակարգը: Այս մասին մեզ կպատմի հետազոտական ​​խմբի զեկույցը։ Գնա։

Հետազոտության հիմքը

Մենք բազմիցս լսել ենք «գրաֆեն» տերմինը, այն ածխածնի երկչափ մոդիֆիկացիա է, որը բաղկացած է 1 ատոմ հաստությամբ ածխածնի ատոմների շերտից։ Բայց «բորոֆենը» չափազանց հազվադեպ է: Այս տերմինը վերաբերում է երկչափ բյուրեղին, որը բաղկացած է բացառապես բորի (B) ատոմներից: Բորոֆենի գոյության հնարավորությունն առաջին անգամ կանխատեսվել էր դեռևս 90-ականների կեսերին, սակայն գործնականում այդ կառուցվածքը ստացվեց միայն մինչև 2015թ.

Բորոֆենի ատոմային կառուցվածքը բաղկացած է եռանկյունաձև և վեցանկյուն տարրերից և հետևանք է երկկենտրոն և բազմակենտրոն հարթության կապերի փոխազդեցության, ինչը շատ բնորոշ է էլեկտրոնային անբավարար տարրերին, որոնց թվում է բորը։

*Երկկենտրոն և բազմակենտրոն կապեր ասելով հասկանում ենք քիմիական կապեր՝ ատոմների փոխազդեցություններ, որոնք բնութագրում են մոլեկուլի կամ բյուրեղի կայունությունը որպես մեկ կառուցվածք։ Օրինակ, երկու կենտրոնի երկու էլեկտրոնային կապը տեղի է ունենում, երբ 2 ատոմները կիսում են 2 էլեկտրոն, իսկ երկու կենտրոնի երեք էլեկտրոնային կապը տեղի է ունենում, երբ 2 ատոմ և 3 էլեկտրոն և այլն:

Ֆիզիկական տեսանկյունից բորոֆենը կարող է ավելի ուժեղ և ճկուն լինել, քան գրաֆենը։ Ենթադրվում է նաև, որ բորոֆենի կառուցվածքները կարող են արդյունավետ լրացում լինել մարտկոցների համար, քանի որ բորոֆենն ունի բարձր հատուկ հզորություն և եզակի էլեկտրոնային հաղորդունակություն և իոնների փոխադրման հատկություններ: Սակայն այս պահին սա ընդամենը տեսություն է։

լինելով եռարժեք տարր*, բորն ունի առնվազն 10 ալոտրոպներ*. Երկչափ ձևով, նման պոլիմորֆիզմ* նկատվում է նաև.

Եռավալենտ տարր* ունակ է ձևավորել երեք կովալենտային կապ, որոնց վալենտությունը երեք է.

Ալոտրոպիա* - երբ մեկ քիմիական տարրը կարող է ներկայացվել երկու կամ ավելի պարզ նյութերի տեսքով. Որպես օրինակ՝ ածխածինը՝ ադամանդ, գրաֆեն, գրաֆիտ, ածխածնային նանոխողովակներ և այլն։

Պոլիմորֆիզմ* - նյութի տարբեր բյուրեղային կառուցվածքներում գոյություն ունենալու ունակություն (պոլիմորֆային փոփոխություններ): Պարզ նյութերի դեպքում այս տերմինը հոմանիշ է ալոտրոպիայի հետ։

Հաշվի առնելով այս լայն պոլիմորֆիզմը, ենթադրվում է, որ բորոֆենը կարող է հիանալի թեկնածու լինել նոր երկչափ հետերոկառուցվածքներ ստեղծելու համար, քանի որ բորի կապի տարբեր կոնֆիգուրացիաները պետք է թուլացնեն ցանցերի համապատասխանության պահանջները: Ցավոք, այս հարցը նախկինում ուսումնասիրվել է բացառապես տեսական մակարդակում՝ սինթեզի դժվարությունների պատճառով։

Սովորական 2D նյութերի համար, որոնք ստացվում են զանգվածային շերտավոր բյուրեղներից, ուղղահայաց հետերկառուցվածքները կարող են իրականացվել՝ օգտագործելով մեխանիկական կուտակում: Մյուս կողմից, երկչափ կողային հետերոկառուցվածքները հիմնված են ներքևից վեր սինթեզի վրա։ Ատոմային ճշգրիտ կողային հետերոկառուցվածքները մեծ ներուժ ունեն հետերային կապի ֆունկցիոնալ կառավարման խնդիրները լուծելու համար, սակայն, կովալենտային կապի պատճառով, ցանցերի անկատար համընկնումը սովորաբար հանգեցնում է լայն և անկարգությունների միջերեսների: Հետևաբար, կա ներուժ, բայց կան նաև խնդիրներ այն իրացնելու հարցում։

Այս աշխատանքում հետազոտողներին հաջողվել է բորոֆենն ու գրաֆենը ինտեգրել մեկ երկչափ հետերոկառուցվածքի մեջ։ Չնայած բյուրոֆենի և գրաֆենի միջև բյուրեղային ցանցերի անհամապատասխանությանը և համաչափությանը, ածխածնի և բորի հաջորդական նստեցումը Ag(111) սուբստրատի վրա գերբարձր վակուումի (UHV) տակ հանգեցնում է գրեթե ատոմային ճշգրիտ կողային հետերերֆեյսների՝ կանխատեսված ցանցի ուղղահայաց ուղղահայաց ուղղություններով, ինչպես նաև ավելի մեծ հարթություններով: .

Նախապատրաստվելով ուսումնասիրությանը

Մինչ հետերոկառուցվածքն ուսումնասիրելը, այն պետք է սարքել։ Գրաֆենի և բորոֆենի աճն իրականացվել է գերբարձր վակուումային խցիկում՝ 1x10-10 միլիբար ճնշմամբ։

Ag(111) մեկ բյուրեղյա ենթաշերտը մաքրվել է Ar+ ցողման կրկնվող ցիկլերով (1 x 10-5 միլիբար, 800 էՎ, 30 րոպե) և ջերմային հալման (550 °C, 45 րոպե)՝ ատոմայինորեն մաքուր և հարթ Ag (աղ) ստանալու համար։ 111) մակերեսը.

Գրաֆենն աճեցվել է 99,997 մմ տրամագծով մաքուր (2.0%) գրաֆիտի ձողի էլեկտրոնային ճառագայթով գոլորշիացմամբ Ag (750) հիմքի վրա, որը տաքացվում է մինչև 111 °C ~ 1.6 Ա ջեռուցման հոսանքի և ~ 2 կՎ արագացնող լարման դեպքում։ , որը տալիս է արտանետման հոսանք ~ 70 մԱ և ածխածնի հոսք ~ 40 նԱ։ Խցիկի ճնշումը 1 x 10-9 միլիբար էր:

Բորոֆենն աճեցվել է մաքուր (99,9999%) բորի ձողի էլեկտրոնային ճառագայթով գոլորշիացման միջոցով ենթաշերտ գրաֆենի վրա Ag (400) տաքացվող մինչև 500-111 °C ջերմաստիճանում: Թելերի հոսանքը եղել է ~1.5 Ա, իսկ արագացնող լարումը` 1.75 կՎ, ինչը տալիս է ~34 մԱ արտանետման հոսանք և ~10 նԱ բորի հոսք: Բորոֆենի աճի ընթացքում պալատում ճնշումը մոտավորապես 2 x 10-10 միլիբար էր:

Ուսումնասիրության արդյունքները

Պատկեր թիվ 1

Պատկերի վրա 1A ցույց է տրված STM* աճեցված գրաֆենի լուսանկար, որտեղ գրաֆենի տիրույթները լավագույնս պատկերացվում են քարտեզի միջոցով dI/dV (1V) որտեղ I и V են թունելային հոսանքը և նմուշի տեղաշարժը, և d - խտություն.

STM* — սկանավորող թունելային մանրադիտակ:

dI/dV Նմուշի քարտեզները թույլ տվեցին մեզ տեսնել գրաֆենի վիճակների ավելի բարձր տեղական խտություն Ag(111) սուբստրատի համեմատ: Նախորդ ուսումնասիրությունների համաձայն՝ Ag (111) մակերևութային վիճակն ունի աստիճանական հատկանիշ՝ դեպի դրական էներգիաներ տեղափոխված dI/dV գրաֆենի սպեկտրը (1S), որը բացատրում է գրաֆենի վիճակների ավելի բարձր տեղական խտությունը 1V 0.3 ԷՎ-ում:

Պատկերի վրա 1D կարող ենք տեսնել միաշերտ գրաֆենի կառուցվածքը, որտեղ մեղրախորիսխ վանդակը և moiré superstructure*.

Վերնաշենք* - բյուրեղային միացության կառուցվածքի առանձնահատկությունը, որը կրկնվում է որոշակի ընդմիջումով և այդպիսով ստեղծում է նոր կառուցվածք՝ այլ փոփոխական ժամանակաշրջանով:

Մոիր* - երկու պարբերական ցանցերի նախշերի սուպերպոզիցիա միմյանց վրա:

Ավելի ցածր ջերմաստիճաններում աճը հանգեցնում է դենդրիտային և թերի գրաֆենի տիրույթների ձևավորմանը: Գրաֆենի և հիմքում ընկած ենթաշերտի միջև թույլ փոխազդեցության պատճառով գրաֆենի պտտվող հավասարեցումը հիմքում ընկած Ag(111) նկատմամբ եզակի չէ:

Բորի նստվածքից հետո, սկանավոր թունելային մանրադիտակ (1E) ցույց է տվել բորոֆենի և գրաֆենի տիրույթների համակցության առկայությունը։ Նկարում տեսանելի են նաև գրաֆենի ներսի հատվածները, որոնք հետագայում ճանաչվել են որպես գրաֆեն՝ միախառնված բորոֆենի հետ (նկարում նշված է. Գր/Բ) Այս հատվածում հստակ տեսանելի են նաև երեք ուղղություններով կողմնորոշված ​​և 120° անկյան տակ բաժանված գծային տարրերը (դեղին սլաքներ):

Պատկեր թիվ 2

Լուսանկարը միացված է 2AԻնչպես 1E, հաստատում են գրաֆենի տեղայնացված մուգ իջվածքների տեսքը բորի նստվածքից հետո։

Այս գոյացությունները ավելի լավ ուսումնասիրելու և դրանց ծագումը պարզելու համար նույն տարածքից մեկ այլ լուսանկար է արվել, սակայն օգտագործելով քարտեզներ |dlnI/ձ| (2B), որտեղ I - թունելի հոսանք, d խտությունն է, և z — զոնդ-նմուշի բաժանում (մանրադիտակի ասեղի և նմուշի միջև եղած բացը): Այս տեխնիկայի կիրառումը հնարավորություն է տալիս ստանալ բարձր տարածական լուծաչափով պատկերներ։ Դրա համար կարող եք նաև օգտագործել CO կամ H2 մանրադիտակի ասեղի վրա:

Изображение 2S պատկեր է, որը ստացվել է STM-ի միջոցով, որի ծայրը պատված է CO-ով: Պատկերների համեմատություն А, В и С ցույց է տալիս, որ բոլոր ատոմային տարրերը սահմանվում են որպես երեք հարակից վառ վեցանկյուններ, որոնք ուղղված են երկու ոչ համարժեք ուղղություններով (լուսանկարներում կարմիր և դեղին եռանկյուններ):

Այս տարածքի ընդլայնված պատկերներ (2D) հաստատեք, որ այս տարրերը համընկնում են բորի ներծծվող կեղտերի հետ՝ զբաղեցնելով երկու գրաֆենի ենթավանդակներ, ինչպես նշված է վերադրված կառուցվածքներով:

Մանրադիտակի ասեղի CO ծածկույթը հնարավորություն տվեց բացահայտել բորոֆենի թերթիկի երկրաչափական կառուցվածքը (2E), ինչը անհնար կլիներ, եթե ասեղը լիներ ստանդարտ (մետաղ) առանց CO ծածկույթի:

Պատկեր թիվ 3

Բորոֆենի և գրաֆենի միջև կողային հետերոմիջերեսների ձևավորում (3A) պետք է առաջանա, երբ բորոֆենը աճում է գրաֆենի տիրույթների կողքին, որոնք արդեն բոր են պարունակում:

Գիտնականները հիշեցնում են, որ գրաֆեն-hBN-ի (գրաֆեն + բոր նիտրիդ) վրա հիմնված կողային հետերոինտերֆեյսներն ունեն վանդակավոր հետևողականություն, իսկ անցումային մետաղների դիքալկոգենիդների վրա հիմնված հետերոփոխումները ունեն համաչափության հետևողականություն։ Գրաֆենի/բորոֆենի դեպքում իրավիճակը մի փոքր այլ է. նրանք ունեն նվազագույն կառուցվածքային նմանություն վանդակավոր հաստատունների կամ բյուրեղային համաչափության առումով։ Այնուամենայնիվ, չնայած դրան, կողային գրաֆեն/բորոֆեն հետերոմիջերեսը ցույց է տալիս գրեթե կատարյալ ատոմային հետևողականություն՝ բորի շարքի (B-շարք) ուղղություններով, որոնք համահունչ են գրաֆենի զիգզագ (ZZ) ուղղություններին (3A) Վրա 3V ցուցադրվում է հետերոինտերֆեյսի ZZ շրջանի խոշորացված պատկերը (կապույտ գծերը ցույց են տալիս միջերեսային տարրերը, որոնք համապատասխանում են բոր-ածխածնային կովալենտային կապերին):

Քանի որ բորոֆենը գրաֆենի համեմատ ավելի ցածր ջերմաստիճանում է աճում, գրաֆենի տիրույթի եզրերը դժվար թե բարձր շարժունակություն ունենան բորոֆենի հետ հետերոինտերֆեյս կազմելիս: Հետևաբար, ատոմային համարյա ճշգրիտ հետերոմիջերեսը, ամենայն հավանականությամբ, արդյունք է բազմաբնույթ բորային կապերի տարբեր կոնֆիգուրացիաների և բնութագրերի: Սկանավորող թունելային սպեկտրոսկոպիայի սպեկտրներ (3S) և թունելի դիֆերենցիալ հաղորդունակություն (3DՑույց տալ, որ էլեկտրոնային անցումը գրաֆենից բորոֆեն տեղի է ունենում ~5 Å հեռավորության վրա՝ առանց տեսանելի միջերեսային վիճակների։

Պատկերի վրա 3E Ցուցադրված են երեք սկանավորող թունելային սպեկտրոսկոպիայի սպեկտրներ, որոնք վերցված են երեք գծված գծերի երկայնքով 3D-ով, որոնք հաստատում են, որ այս կարճ էլեկտրոնային անցումը անզգայուն է տեղական միջերեսային կառուցվածքների նկատմամբ և համեմատելի է բորոֆեն-արծաթ միջերեսների հետ:

Պատկեր թիվ 4

Գրաֆեն միացում* նախկինում նույնպես լայնորեն ուսումնասիրվել է, բայց ինտերկալանտների վերածումը իրական 2D թերթիկների համեմատաբար հազվադեպ է:

Intercalation* - մոլեկուլի կամ մոլեկուլների խմբի հետադարձելի ընդգրկում այլ մոլեկուլների կամ մոլեկուլների խմբերի միջև.

Բորի փոքր ատոմային շառավիղը և գրաֆենի և Ag(111) թույլ փոխազդեցությունը հուշում են գրաֆենի հնարավոր փոխազդեցությունը բորի հետ։ Պատկերում 4A ապացույցներ են ներկայացվում ոչ միայն բորի ինտերկալացիայի, այլ նաև բորոֆեն-գրաֆեն ուղղահայաց հետերոկառուցվածքների, հատկապես գրաֆենով շրջապատված եռանկյուն տիրույթների ձևավորման մասին: Այս եռանկյուն տիրույթի վրա նկատված մեղրախորիսխ վանդակը հաստատում է գրաֆենի առկայությունը։ Այնուամենայնիվ, այս գրաֆենը դրսևորում է վիճակների ավելի ցածր տեղական խտություն -50 մէՎ-ում՝ համեմատած շրջակա գրաֆենի հետ (4V) Համեմատած ուղղակի Ag(111) վրա գրաֆենի հետ՝ սպեկտրում վիճակների բարձր տեղական խտության ապացույց չկա։ dI/dV (4C, կապույտ կորը), որը համապատասխանում է Ag(111) մակերեսային վիճակին, բորի ինտերկալացիայի առաջին վկայությունն է։

Նաև, ինչպես ակնկալվում է մասնակի ինտերկալացիայի դեպքում, գրաֆենի վանդակը մնում է շարունակական գրաֆենի և եռանկյուն շրջանի կողային միջերեսում (4D - համապատասխանում է ուղղանկյուն տարածքի վրա 4Aշրջագծված կարմիր կետավոր գծով): Մանրադիտակի ասեղի վրա CO օգտագործող պատկերը նույնպես հաստատեց բորի փոխարինող կեղտերի առկայությունը (4E - համապատասխանում է ուղղանկյուն տարածքի վրա 4A, շրջանագծված դեղին կետավոր գծով):

Վերլուծության ժամանակ օգտագործվել են նաև մանրադիտակի ասեղներ՝ առանց որևէ ծածկույթի։ Այս դեպքում, 5 Å պարբերականությամբ միաչափ գծային տարրերի նշաններ են հայտնաբերվել գրաֆենի ինտերկալացիոն տիրույթներում (4F и 4G) Այս միաչափ կառուցվածքները նման են բորոֆենի մոդելի բորի շարքերին: Ի լրումն գրաֆենին համապատասխանող կետերի, Ֆուրիեի պատկերը փոխակերպվում է 4G ցուցադրում է մի զույգ ուղղանկյուն կետեր, որոնք համապատասխանում են 3 Å x 5 Å ուղղանկյուն վանդակին (4 Հ), որը հիանալի համընկնում է բորոֆենի մոդելի հետ։ Բացի այդ, գծային տարրերի զանգվածի դիտարկված եռակի կողմնորոշումը (1E) լավ համընկնում է բորոֆենի թիթեղների համար նկատված նույն գերակշռող կառուցվածքի հետ:

Այս բոլոր դիտարկումները խստորեն ենթադրում են բորոֆենի կողմից գրաֆենի միաձուլումը Ag-ի եզրերի մոտ, ինչը, հետևաբար, հանգեցնում է ուղղահայաց բորոֆեն-գրաֆեն հետերոկառուցվածքների ձևավորմանը, ինչը կարող է շահավետորեն իրականացվել՝ մեծացնելով գրաֆենի նախնական ծածկույթը:

4I վրա ուղղահայաց հետերկառուցվածքի սխեմատիկ ներկայացում է 4H, որտեղ բորի շարքի ուղղությունը (վարդագույն սլաք) սերտորեն համահունչ է գրաֆենի զիգզագային ուղղության հետ (սև սլաք), այդպիսով ձևավորելով պտտվող համամասնական ուղղահայաց հետերոկառուցվածք։

Ուսումնասիրության նրբություններին ավելի մանրամասն ծանոթանալու համար խորհուրդ եմ տալիս նայել հայտնում են գիտնականները и Լրացուցիչ նյութեր նրան.

Վերջաբան

Այս ուսումնասիրությունը ցույց տվեց, որ բորոֆենը բավականին ընդունակ է գրաֆենի հետ ձևավորել կողային և ուղղահայաց հետերոկառուցվածքներ։ Նման համակարգերը կարող են օգտագործվել նանոտեխնոլոգիայում օգտագործվող երկչափ տարրերի նոր տեսակների, ճկուն և կրելի էլեկտրոնիկայի, ինչպես նաև կիսահաղորդիչների նոր տեսակների մշակման համար։

Իրենք՝ հետազոտողները կարծում են, որ դրանց զարգացումը կարող է հզոր առաջ մղել էլեկտրոնիկայի հետ կապված տեխնոլոգիաների համար: Սակայն դեռ դժվար է միանշանակ ասել, որ նրանց խոսքերը կդառնան մարգարեական։ Այս պահին դեռ շատ բան կա ուսումնասիրելու, հասկանալու և հորինելու, որպեսզի գիտնականների միտքը լցնող այդ գիտաֆանտաստիկ գաղափարները դառնան լիարժեք իրականություն։

Շնորհակալություն կարդալու համար, եղեք հետաքրքրասեր և լավ շաբաթ ունեցեք տղաներ: 🙂

Շնորհակալություն մեզ հետ մնալու համար: Ձեզ դուր են գալիս մեր հոդվածները: Ցանկանու՞մ եք տեսնել ավելի հետաքրքիր բովանդակություն: Աջակցեք մեզ՝ պատվիրելով կամ խորհուրդ տալով ընկերներին, 30% զեղչ Habr-ի օգտատերերի համար մուտքի մակարդակի սերվերների եզակի անալոգի վրա, որը ստեղծվել է մեր կողմից ձեզ համար. Ամբողջ ճշմարտությունը VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20 դոլարից կամ ինչպես կիսել սերվերը: (հասանելի է RAID1 և RAID10-ով, մինչև 24 միջուկով և մինչև 40 ԳԲ DDR4):

Dell R730xd 2 անգամ ավելի էժան? Միայն այստեղ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 հեռուստացույց $199-ից Նիդեռլանդներում! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-ից: Կարդացեք մասին Ինչպես կառուցել ենթակառուցվածքի կորպ. դաս՝ 730 եվրո արժողությամբ Dell R5xd E2650-4 v9000 սերվերների օգտագործմամբ մեկ կոպեկի համար:

Source: www.habr.com