“Mutasi adalah kunci untuk mengungkap misteri evolusi. Jalur perkembangan dari organisme paling sederhana hingga spesies biologis dominan berlangsung ribuan tahun. Namun setiap seratus ribu tahun terjadi lompatan maju yang tajam dalam evolusi" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Jika kita membuang semua unsur fiksi ilmiah yang ada dalam komik dan film, maka perkataan Profesor X memang benar adanya. Perkembangan suatu hal sering kali berlangsung secara merata, namun terkadang ada lompatan yang berdampak besar pada keseluruhan proses. Hal ini tidak hanya berlaku pada evolusi spesies, tetapi juga pada evolusi teknologi, yang penggerak utamanya adalah manusia, penelitian, dan penemuannya. Hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah penelitian yang, menurut penulisnya, merupakan lompatan evolusi nyata dalam nanoteknologi. Bagaimana para ilmuwan dari Universitas Northwestern (AS) berhasil menciptakan heterostruktur dua dimensi yang baru, mengapa graphene dan borophene dipilih sebagai dasarnya, dan sifat apa yang mungkin dimiliki sistem tersebut? Laporan kelompok penelitian akan memberi tahu kita tentang hal ini. Pergi.
Dasar penelitian
Kita telah mendengar istilah “graphene” berkali-kali; ini adalah modifikasi karbon dua dimensi, yang terdiri dari lapisan atom karbon setebal 1 atom. Tapi “borofen” sangat jarang. Istilah ini mengacu pada kristal dua dimensi yang hanya terdiri dari atom boron (B). Kemungkinan keberadaan borofen pertama kali diprediksi pada pertengahan tahun 90-an, namun dalam praktiknya struktur ini baru dapat diperoleh pada tahun 2015.
Struktur atom borofen terdiri dari unsur-unsur berbentuk segitiga dan heksagonal dan merupakan konsekuensi dari interaksi antara ikatan dalam bidang dua pusat dan banyak pusat, yang sangat khas untuk unsur-unsur yang kekurangan elektron, termasuk boron.
*Yang kami maksud dengan ikatan dua pusat dan multisenter adalah ikatan kimia - interaksi atom yang mencirikan stabilitas molekul atau kristal sebagai struktur tunggal. Misalnya, ikatan dua pusat dua elektron terjadi ketika 2 atom berbagi 2 elektron, dan ikatan dua pusat tiga elektron terjadi ketika 2 atom dan 3 elektron, dan seterusnya.
Dari sudut pandang fisik, borofena mungkin lebih kuat dan lebih fleksibel dibandingkan graphene. Struktur borofen juga diyakini dapat menjadi pelengkap yang efektif untuk baterai karena borofen memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan konduktivitas elektronik serta sifat transpor ion yang unik. Namun, saat ini hal tersebut hanyalah sebuah teori.
Menjadi elemen trivalen*, boron memiliki setidaknya 10 alotrop*. Dalam bentuk dua dimensi, serupa polimorfisme* juga diamati.
Elemen trivalen* mampu membentuk tiga ikatan kovalen, yang valensinya tiga.
Alotropi* - ketika satu unsur kimia dapat direpresentasikan sebagai dua atau lebih zat sederhana. Contohnya adalah karbon - intan, graphene, grafit, tabung nano karbon, dll.
Polimorfisme* - kemampuan suatu zat untuk berada dalam struktur kristal yang berbeda (modifikasi polimorfik). Dalam kasus zat sederhana, istilah ini sinonim dengan alotropi.
Mengingat polimorfisme yang luas ini, disarankan bahwa borofen mungkin merupakan kandidat yang sangat baik untuk menciptakan heterostruktur dua dimensi baru, karena konfigurasi ikatan boron yang berbeda akan meringankan persyaratan pencocokan kisi. Sayangnya, masalah ini sebelumnya dipelajari secara eksklusif pada tataran teoritis karena kesulitan dalam sintesis.
Untuk material 2D konvensional yang diperoleh dari kristal berlapis massal, heterostruktur vertikal dapat diwujudkan dengan menggunakan penumpukan mekanis. Di sisi lain, heterostruktur lateral dua dimensi didasarkan pada sintesis bottom-up. Heterostruktur lateral yang presisi secara atom memiliki potensi besar dalam memecahkan masalah kontrol fungsional heterojungsi, namun karena ikatan kovalen, pencocokan kisi yang tidak sempurna biasanya menghasilkan antarmuka yang lebar dan tidak teratur. Oleh karena itu, potensinya ada, namun dalam mewujudkannya juga ada kendala.
Dalam karya ini, para peneliti berhasil mengintegrasikan borofen dan graphene ke dalam satu heterostruktur dua dimensi. Meskipun terdapat ketidakcocokan kisi kristalografi dan simetri antara borofena dan graphene, pengendapan karbon dan boron secara berurutan pada substrat Ag(111) di bawah vakum ultra-tinggi (UHV) menghasilkan heterointerface lateral yang hampir tepat secara atom dengan prediksi keselarasan kisi, serta heterointerface vertikal. .
Persiapan untuk penelitian
Sebelum mempelajari heterostruktur, itu harus dibuat. Pertumbuhan graphene dan borophene dilakukan dalam ruang vakum ultra tinggi dengan tekanan 1x10-10 milibar.
Substrat kristal tunggal Ag(111) dibersihkan dengan siklus sputtering Ar+ berulang kali (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 menit) dan anil termal (550 °C, 45 menit) untuk mendapatkan Ag( yang rata secara atom dan rata). 111) permukaan. .
Graphene ditanam dengan penguapan berkas elektron dari batang grafit murni (99,997%) dengan diameter 2.0 mm ke substrat Ag (750) yang dipanaskan hingga 111 °C pada arus pemanasan ~ 1.6 A dan tegangan percepatan ~ 2 kV , yang menghasilkan arus emisi ~ 70 mA dan fluks karbon ~40 nA. Tekanan di dalam ruangan adalah 1 x 10-9 milibar.
Borofena ditanam melalui penguapan berkas elektron dari batang boron murni (99,9999%) ke graphene submonolayer pada Ag (400) yang dipanaskan hingga 500-111 °C. Arus filamen adalah ~1.5 A dan tegangan percepatan adalah 1.75 kV, yang menghasilkan arus emisi ~34 mA dan fluks boron ~10 nA. Tekanan di dalam ruangan selama pertumbuhan borofen kira-kira 2 x 10-10 milibar.
Hasil penelitian
Gambar #1
Pada gambar 1А ditampilkan STM* cuplikan graphene yang tumbuh, di mana domain graphene paling baik divisualisasikan menggunakan peta dI/dV (1V), dimana I и V adalah arus terowongan dan perpindahan sampel, dan d - kepadatan.
STM* — memindai mikroskop terowongan.
dI/dV peta sampel memungkinkan kami melihat kepadatan lokal graphene yang lebih tinggi dibandingkan dengan substrat Ag (111). Sesuai dengan penelitian sebelumnya, keadaan permukaan Ag (111) mempunyai karakteristik langkah, bergeser ke arah energi positif sebesar dI/dV spektrum graphene (1S), yang menjelaskan kepadatan lokal keadaan graphene yang lebih tinggi 1V pada 0.3 eV.
Pada gambar 1D kita dapat melihat struktur graphene satu lapis, dimana kisi sarang lebah dan bangunan atas moiré*.
Superstruktur* - ciri struktur senyawa kristal yang berulang pada interval tertentu sehingga menimbulkan struktur baru dengan periode pergantian yang berbeda.
Moire* - superposisi dua pola jaring periodik di atas satu sama lain.
Pada suhu yang lebih rendah, pertumbuhan mengarah pada pembentukan domain graphene dendritik dan cacat. Karena interaksi yang lemah antara graphene dan substrat di bawahnya, penyelarasan rotasi graphene terhadap Ag (111) yang mendasarinya tidaklah unik.
Setelah deposisi boron, pemindaian mikroskop tunneling (1Е) menunjukkan adanya kombinasi domain borofena dan graphene. Juga terlihat pada gambar adalah daerah di dalam graphene, yang kemudian diidentifikasi sebagai graphene yang diselingi dengan borofena (ditunjukkan pada gambar Gr/B). Elemen linier yang berorientasi pada tiga arah dan dipisahkan dengan sudut 120° juga terlihat jelas di area ini (panah kuning).
Gambar #2
Foto aktif 2АSebagai 1Е, konfirmasikan munculnya depresi gelap lokal pada graphene setelah pengendapan boron.
Untuk memeriksa formasi ini dengan lebih baik dan mengetahui asal usulnya, diambil foto lain di area yang sama, tetapi menggunakan peta |dlnI/dz| (2B), dimana I — arus terowongan, d adalah kepadatan, dan z — pemisahan probe-sampel (celah antara jarum mikroskop dan sampel). Penggunaan teknik ini memungkinkan diperolehnya gambar dengan resolusi spasial yang tinggi. Anda juga dapat menggunakan CO atau H2 pada jarum mikroskop untuk ini.
Изображение 2S adalah gambar yang diperoleh dengan menggunakan STM yang ujungnya dilapisi CO. Perbandingan gambar А, В и С menunjukkan bahwa semua unsur atom didefinisikan sebagai tiga segi enam terang yang berdekatan dan diarahkan ke dua arah yang tidak setara (segitiga merah dan kuning dalam foto).
Gambar yang diperbesar dari area ini (2D) mengkonfirmasi bahwa unsur-unsur ini sesuai dengan pengotor dopan boron, menempati dua subkisi graphene, seperti yang ditunjukkan oleh struktur yang ditumpangkan.
Lapisan CO pada jarum mikroskop memungkinkan untuk mengungkap struktur geometris lembaran borofen (2Е), yang tidak mungkin dilakukan jika jarumnya standar (logam) tanpa lapisan CO.
Gambar #3
Pembentukan heterointerface lateral antara borofen dan graphene (3А) seharusnya terjadi ketika borofen tumbuh di sebelah domain graphene yang sudah mengandung boron.
Para ilmuwan mengingatkan bahwa heterointerface lateral berdasarkan graphene-hBN (graphene + boron nitride) memiliki konsistensi kisi, dan heterojunction berdasarkan dichalcogenides logam transisi memiliki konsistensi simetri. Dalam kasus graphene/borophene, situasinya sedikit berbeda - mereka memiliki kesamaan struktural minimal dalam hal konstanta kisi atau simetri kristal. Namun, meskipun demikian, heterointerface grafena/borofen lateral menunjukkan konsistensi atom yang hampir sempurna, dengan arah baris boron (baris B) sejajar dengan arah zigzag (ZZ) dari graphene (3А). Pada 3V gambar yang diperbesar dari wilayah ZZ dari heterointerface ditampilkan (garis biru menunjukkan elemen antarmuka yang berhubungan dengan ikatan kovalen boron-karbon).
Karena borofena tumbuh pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan graphene, tepi domain graphene kemungkinan besar tidak memiliki mobilitas tinggi ketika membentuk antarmuka hetero dengan borofen. Oleh karena itu, heterointerface yang hampir tepat secara atom kemungkinan besar disebabkan oleh perbedaan konfigurasi dan karakteristik ikatan boron multisitus. Memindai spektrum spektroskopi terowongan (3S) dan konduktivitas terowongan diferensial (3D) menunjukkan bahwa transisi elektronik dari graphene ke borophene terjadi pada jarak ~5 Å tanpa status antarmuka yang terlihat.
Pada gambar 3Е Ditampilkan tiga spektrum pemindaian spektroskopi terowongan yang diambil sepanjang tiga garis putus-putus dalam 3D, yang mengkonfirmasi bahwa transisi elektronik pendek ini tidak sensitif terhadap struktur antarmuka lokal dan sebanding dengan antarmuka borofen-perak.
Gambar #4
Grafena interkalasi* sebelumnya juga telah dipelajari secara luas, namun konversi intercalant menjadi lembaran 2D sebenarnya relatif jarang.
Interkalasi* - penyertaan suatu molekul atau sekelompok molekul secara reversibel di antara molekul atau kelompok molekul lain.
Jari-jari atom boron yang kecil dan interaksi yang lemah antara graphene dan Ag(111) menunjukkan kemungkinan interkalasi graphene dengan boron. Dalam gambar 4А bukti yang disajikan tidak hanya tentang interkalasi boron, tetapi juga pembentukan heterostruktur borofena-grafena vertikal, terutama domain segitiga yang dikelilingi oleh graphene. Kisi sarang lebah yang diamati pada domain segitiga ini menegaskan keberadaan graphene. Namun, graphene ini menunjukkan kepadatan lokal yang lebih rendah pada -50 meV dibandingkan dengan graphene di sekitarnya (4V). Dibandingkan dengan graphene langsung pada Ag(111), tidak ada bukti kepadatan lokal yang tinggi dalam spektrum dI/dV (4C, kurva biru), sesuai dengan keadaan permukaan Ag(111), adalah bukti pertama interkalasi boron.
Selain itu, seperti yang diharapkan untuk interkalasi parsial, kisi graphene tetap kontinu di seluruh antarmuka lateral antara graphene dan daerah segitiga (4D - sesuai dengan area persegi panjang di 4А, dilingkari garis putus-putus merah). Gambar menggunakan CO pada jarum mikroskop juga mengkonfirmasi adanya pengotor substitusi boron (4E - sesuai dengan area persegi panjang di 4А, dilingkari garis putus-putus kuning).
Jarum mikroskop tanpa lapisan apa pun juga digunakan selama analisis. Dalam hal ini, tanda-tanda elemen linier satu dimensi dengan periodisitas 5 Å terungkap dalam domain graphene yang diselingi (4F и 4G). Struktur satu dimensi ini menyerupai barisan boron pada model borofen. Selain himpunan titik yang berhubungan dengan graphene, transformasi Fourier dari gambar menjadi 4G menampilkan sepasang titik ortogonal yang bersesuaian dengan kisi persegi panjang berukuran 3 Å x 5 Å (4H), yang sangat sesuai dengan model borofen. Selain itu, orientasi rangkap tiga yang diamati dari susunan elemen linier (1Е) sangat sesuai dengan struktur dominan yang sama yang diamati pada lembaran borofen.
Semua pengamatan ini sangat menyarankan interkalasi graphene oleh borophene dekat tepi Ag, yang akibatnya mengarah pada pembentukan heterostruktur vertikal borophene-graphene, yang dapat direalisasikan secara menguntungkan dengan meningkatkan cakupan awal graphene.
4I adalah representasi skematis dari heterostruktur vertikal 4H, dimana arah baris boron (panah merah muda) sejajar dengan arah zigzag graphene (panah hitam), sehingga membentuk heterostruktur vertikal proporsional rotasi.
Untuk kenalan yang lebih detail dengan nuansa penelitian, saya sarankan untuk melihatnya и untuk dia.
Bagian terakhir dr suatu karya sastra
Penelitian ini menunjukkan bahwa borofena cukup mampu membentuk heterostruktur lateral dan vertikal dengan graphene. Sistem seperti itu dapat digunakan dalam pengembangan elemen dua dimensi jenis baru yang digunakan dalam nanoteknologi, elektronik fleksibel dan dapat dipakai, serta semikonduktor jenis baru.
Para peneliti sendiri percaya bahwa pengembangan mereka bisa menjadi dorongan kuat bagi teknologi yang berhubungan dengan elektronik. Namun, masih sulit untuk mengatakan dengan pasti bahwa perkataan mereka akan bersifat kenabian. Saat ini masih banyak yang harus diteliti, dipahami, dan ditemukan agar ide-ide fiksi ilmiah yang memenuhi benak para ilmuwan menjadi kenyataan seutuhnya.
Terima kasih telah membaca, tetap penasaran dan semoga minggumu menyenangkan kawan. 🙂
Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda menyukai artikel kami? Ingin melihat konten yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman, Diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server level awal, yang kami ciptakan untuk Anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai $99! Membaca tentang
Sumber: www.habr.com