„Stökkbreyting er lykillinn að því að afhjúpa leyndardóm þróunarinnar. Þróunarleiðin frá einföldustu lífveru til ríkjandi líffræðilegrar tegundar varir í þúsundir ára. En á hundrað þúsund ára fresti er mikið stökk fram á við í þróuninni“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ef við fleygum öllum vísindaskáldsöguþáttum sem eru til staðar í myndasögum og kvikmyndum, þá eru orð prófessors X alveg sönn. Þróun einhvers gengur oftast jafnt fyrir sig, en stundum eru stökk sem hafa mikil áhrif á allt ferlið. Þetta á ekki aðeins við um þróun tegunda, heldur einnig um þróun tækni, en aðaldrifkraftur hennar er fólk, rannsóknir þess og uppfinningar. Í dag munum við kynnast rannsókn sem samkvæmt höfundum hennar er raunverulegt þróunarstökk í nanótækni. Hvernig tókst vísindamönnum frá Northwestern háskólanum (Bandaríkjunum) að búa til nýja tvívíða heterobyggingu, hvers vegna voru grafen og bórófen valin til grundvallar og hvaða eiginleika gæti slíkt kerfi haft? Skýrsla rannsóknarhópsins mun segja okkur frá þessu. Farðu.
Rannsóknargrundvöllur
Við höfum heyrt hugtakið „grafen“ oft; það er tvívídd breyting á kolefni, sem samanstendur af lagi af kolefnisatómum sem eru 1 atóm á þykkt. En „borofen“ er afar sjaldgæft. Þetta hugtak vísar til tvívídds kristals sem samanstendur eingöngu af bór (B) atómum. Möguleikinn á tilvist bórófen var fyrst spáð aftur um miðjan tíunda áratuginn, en í reynd náðist þessi uppbygging aðeins árið 90.
Atómbygging bórfens samanstendur af þríhyrndum og sexhyrndum frumefnum og er afleiðing af víxlverkun milli tveggja-miðju og fjölsetra innanplantengi, sem er mjög dæmigert fyrir frumefni sem skortir rafeinda, þar á meðal bór.
*Með tveggja miðta og fjölsetra tengi er átt við efnatengi - víxlverkun atóma sem einkenna stöðugleika sameindar eða kristals sem eina byggingu. Til dæmis kemur tveggja miðja tveggja rafeindatengi þegar 2 atóm deila 2 rafeindum og tveggja miðja þriggja rafeindatengi verður þegar 2 atóm og 3 rafeindir o.s.frv.
Frá líkamlegu sjónarhorni getur bórófen verið sterkara og sveigjanlegra en grafen. Einnig er talið að bórófenbyggingar gætu verið áhrifarík viðbót fyrir rafhlöður vegna þess að bórófen hefur mikla sértæka getu og einstaka rafeindaleiðni og jónaflutningseiginleika. Hins vegar í augnablikinu er þetta bara kenning.
Að vera þrígilt frumefni*, bór hefur að minnsta kosti 10 allotropes*. Í tvívíðu formi, svipað fjölbreytileiki* er einnig athugað.
Þrígilt frumefni* geta myndað þrjú samgild tengi, gildi þeirra er þrjú.
Allotropy* - þegar hægt er að kynna eitt frumefni í formi tveggja eða fleiri einfaldra efna. Sem dæmi, kolefni - demantur, grafen, grafít, kolefni nanórör osfrv.
Fjölbreytni* - hæfni efnis til að vera til í mismunandi kristalbyggingum (fjölbreytilegar breytingar). Þegar um er að ræða einföld efni er þetta hugtak samheiti við allótrópíu.
Með hliðsjón af þessari víðtæku fjölbreytni er lagt til að bórófen geti verið frábært frambjóðandi til að búa til nýja tvívíða heterobyggingu, þar sem mismunandi bórtengistillingar ættu að slaka á kröfum um grindarsamsvörun. Því miður var þetta mál áður eingöngu rannsakað á fræðilegu stigi vegna erfiðleika við myndun.
Fyrir hefðbundin tvívíddarefni sem fengin eru úr lausu lagskiptu kristöllum er hægt að gera lóðrétta heterostructures með vélrænni stöflun. Á hinn bóginn eru tvívíddar hliðar heterostructures byggðar á botn-upp myndun. Atómfræðilega nákvæmar hliðar ólíkar uppbyggingar hafa mikla möguleika til að leysa hagnýt stjórnunarvandamál með misskiptingum, hins vegar, vegna samgildrar tengingar, leiðir ófullkomin grindarsamsvörun venjulega til breiðra og óreglulegra viðmóta. Þess vegna eru möguleikar fyrir hendi, en það eru líka vandamál við að átta sig á þeim.
Í þessari vinnu tókst rannsakendum að samþætta bórófen og grafen í eina tvívíða heterobyggingu. Þrátt fyrir misræmi í kristallagrindum og samhverfu milli bórfens og grafens, leiðir raðbundin útfelling kolefnis og bórs á Ag(111) hvarfefni undir ofur-háu lofttæmi (UHV) í næstum lotufræðilegu nákvæmum hliðar-heteróskilum með fyrirséðum grindarröðun, auk lóðréttrar heteróviðmóts. .
Námsundirbúningur
Áður en að rannsaka misskiptinguna þurfti að búa hana til. Vöxtur grafen og bórfens var framkvæmt í ofurháu lofttæmishólfi með þrýstingi 1x10-10 millibör.
Einkristalla Ag(111) undirlagið var hreinsað með endurteknum lotum af Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 mínútur) og hitauppstreymi (550 °C, 45 mínútur) til að fá frumeindahreint og flatt Ag( 111) yfirborð. .
Grafen var ræktað með rafeindageislauppgufun hreinnar (99,997%) grafítstangar með 2.0 mm þvermál á Ag (750) undirlag sem var hitað í 111 °C við hitunarstraum upp á ~ 1.6 A og hröðunarspennu upp á ~ 2 kV , sem gefur losunarstraum upp á ~ 70 mA og kolefnisflæði ~40 nA. Þrýstingurinn í hólfinu var 1 x 10-9 millibör.
Bórófen var ræktað með uppgufun rafeindageisla á hreinni (99,9999%) bórstöng á undireinlaga grafeni á Ag (400) hitað í 500-111 °C. Þráðstraumurinn var ~1.5 A og hröðunarspennan var 1.75 kV, sem gefur losunarstraum upp á ~34 mA og bórflæði upp á ~10 nA. Þrýstingurinn í hólfinu við vöxt bórfens var um það bil 2 x 10-10 millibör.
Niðurstöður rannsókna
Mynd #1
Á myndinni 1A Sýnt STM* skyndimynd af ræktuðu grafeni, þar sem grafenlénin eru best sýnd með korti dI/dV (1V), hvar I и V eru jarðgangastraumur og sýnishreyfing, og d — þéttleiki.
STM* — skönnun jarðganga smásjá.
dI/dV kort af sýninu leyfðu okkur að sjá hærri staðbundinn þéttleika grafensástands samanborið við Ag(111) undirlagið. Í samræmi við fyrri rannsóknir hefur yfirborðsástand Ag (111) þrepaeiginleika sem færist í átt að jákvæðri orku með dI/dV litróf grafens (1S), sem útskýrir hærri staðbundinn þéttleika grafensástanda á 1V við 0.3 eV.
Á myndinni 1D við getum séð uppbyggingu eins lags grafen, þar sem honeycomb grindurnar og moiré yfirbygging*.
Yfirbygging* - eiginleiki í byggingu kristallaðs efnasambands sem endurtekur sig með ákveðnu millibili og skapar þannig nýja uppbyggingu með öðru víxltímabili.
Moire* - yfirsetning tveggja reglubundinna möskvamynstra ofan á hvort annað.
Við lægra hitastig leiðir vöxtur til myndunar á dendritic og gölluð grafen lén. Vegna veikrar víxlverkana milli grafens og undirliggjandi undirlags er snúningsjöfnun grafens með tilliti til undirliggjandi Ag(111) ekki einstök.
Eftir bórútfellingu, skanna göng smásjá (1E) sýndi tilvist blöndu af bórófen og grafen lénum. Einnig sjást á myndinni svæði inni í grafeninu, sem síðar voru auðkennd sem grafen ásamt bórófeni (tilgreint á myndinni Gr/B). Línulegir þættir sem eru í þrjár áttir og aðskildar með 120° horni eru einnig greinilega sýnilegar á þessu svæði (gular örvar).
Mynd #2
Mynd á 2AEins og 1E, staðfesta útlit staðbundinna dökkra lægða í grafeni eftir bórútfellingu.
Til þess að skoða þessar myndanir betur og komast að uppruna þeirra var önnur mynd tekin af sama svæði, en með kortum |dlnI/dz| (2B), hvar I — jarðgangastraumur, d er þéttleiki, og z — aðskilnaður rannsakanda og sýnis (bilið á milli smásjánálarinnar og sýnisins). Notkun þessarar tækni gerir það mögulegt að fá myndir með mikilli staðbundinni upplausn. Þú getur líka notað CO eða H2 á smásjánálina fyrir þetta.
Изображение 2S er mynd fengin með STM þar sem oddurinn var húðaður með CO. Samanburður á myndum А, В и С sýnir að öll frumeindir eru skilgreindir sem þrír aðliggjandi bjartir sexhyrningar sem beina í tvær ójafnstæðar áttir (rauðir og gulir þríhyrningar á myndunum).
Stækkaðar myndir af þessu svæði (2D) staðfesta að þessir þættir eru í samræmi við óhreinindi úr bórdópefni, sem taka tvær grafen undirgrind, eins og tilgreint er af ofangreindum byggingum.
CO húðun á smásjánálinni gerði það mögulegt að sýna geometríska uppbyggingu bórófenplötunnar (2E), sem væri ómögulegt ef nálin væri staðlað (málmur) án CO húðunar.
Mynd #3
Myndun hliðra heteroskila milli bórófen og grafen (3A) ætti að eiga sér stað þegar bórófen vex við hlið grafenléna sem innihalda bór þegar.
Vísindamenn minna á að hliðar heterótengi sem byggjast á grafen-hBN (grafen + bórnítríði) hafa grindarsamkvæmni og heterótengi sem byggjast á tvískiptamálmdíkalkógeníðum hafa samhverfusamkvæmni. Þegar um grafen/bórófen er að ræða er ástandið aðeins öðruvísi - þau hafa lágmarks byggingarlíkindi hvað varðar grindarfasta eða kristalsamhverfu. Hins vegar, þrátt fyrir þetta, sýnir hlið grafen/bórófen heteróviðmót næstum fullkomið atómsamkvæmni, þar sem stefnur bórraðar (B-röð) eru í takt við sikksakk (ZZ) stefnur grafen (3A). Á 3V stækkuð mynd af ZZ svæðinu á heteróviðmótinu er sýnd (bláar línur gefa til kynna milliflataþætti sem samsvara samgildum bór-kolefnistengi).
Þar sem bórófen vex við lægra hitastig samanborið við grafen, er ólíklegt að brúnir grafensvæðisins hafi mikla hreyfanleika þegar þeir mynda heteróviðmót við bórófen. Þess vegna er næstum frumeindafræðilega nákvæma heteróviðmótið líklega afleiðing af mismunandi stillingum og eiginleikum bórtengda í mörgum stöðum. Skönnun jarðganga litrófs (3S) og mismunaleiðni gangna (3D) sýna að rafræn umskipti frá grafeni yfir í bórófen eiga sér stað á ~5 Å fjarlægð án sýnilegs viðmótsástands.
Á myndinni 3E Sýnd eru þrjú göng litrófsgreiningarróf sem tekin eru meðfram þremur strikalínunum í 3D, sem staðfesta að þessi stutta rafræna umskipti eru ónæm fyrir staðbundnum snertiflötum og er sambærileg við bórófen-silfurviðmót.
Mynd #4
Grafen innbyrðis* hefur einnig áður verið mikið rannsökuð, en umbreyting millikafla í alvöru tvívíddarblöð er tiltölulega sjaldgæf.
Innfelling* - afturkræf innlimun sameindar eða hóps sameinda á milli annarra sameinda eða hópa sameinda.
Lítill atómradíus bórs og veik víxlverkun grafens og Ag(111) benda til mögulegrar samtengingar grafens við bór. Á myndinni 4A vísbendingar eru settar fram, ekki aðeins um bórflögnun, heldur einnig um myndun lóðréttra bórfen-grafens heterobygginga, sérstaklega þríhyrningslaga léna umkringd grafeni. Honeycomb grindurnar sem sést hafa á þessu þríhyrningslaga léni staðfestir tilvist grafens. Hins vegar sýnir þetta grafen lægri staðbundinn þéttleika ástands við -50 meV samanborið við grafen í kring (4V). Í samanburði við grafen beint á Ag(111) eru engar vísbendingar um háan staðbundinn þéttleika ríkja í litrófinu dI/dV (4C, blár ferill), sem samsvarar Ag(111) yfirborðsástandi, er fyrsta vísbendingin um innskot bór.
Einnig, eins og búist var við fyrir innfellingu að hluta, er grafengrindan áfram samfelld í gegnum hliðarskil milli grafensins og þríhyrningssvæðisins (4D - samsvarar rétthyrndu svæði á 4A, hring með rauðri punktalínu). Mynd með CO á smásjánál staðfesti einnig tilvist bórskiptaóhreininda (4E - samsvarar rétthyrndu svæði á 4A, hring með gulri punktalínu).
Smásjáanálar án húðunar voru einnig notaðar við greininguna. Í þessu tilviki komu í ljós merki um einvídd línuleg frumefni með tíðni 5 Å í innbyggðum grafensviðum (4F и 4G). Þessar einvíðar mannvirki líkjast bórröðunum í bórófenlíkaninu. Til viðbótar við mengi punkta sem samsvarar grafeni, umbreytist Fourier myndarinnar í 4G sýnir par af hornréttum punktum sem samsvara 3 Å x 5 Å rétthyrndum grind (4H), sem er í frábæru samræmi við bórófen líkanið. Að auki, þrefalda stefnu fylkisins línulegra þátta (1E) samræmist vel sömu ríkjandi uppbyggingu og sést fyrir bórófenplötur.
Allar þessar athuganir benda eindregið til þess að grafen sé samsett með bórófeni nálægt brúnum Ag, sem leiðir til myndunar á lóðréttum bórófen-grafen heterobyggingum, sem hægt er að framkvæma með því að auka upphaflega þekju grafens.
4I er skýringarmynd af lóðréttri misskipting á 4H, þar sem stefna bórröðarinnar (bleik ör) er nátengd sikksakkstefnu grafens (svört ör) og myndar þannig lóðrétta deerobyggingu í snúningshlutfalli.
Fyrir ítarlegri kynningu á blæbrigðum rannsóknarinnar mæli ég með að skoða и til hans.
Eftirmáli
Þessi rannsókn sýndi að bórófen er alveg fær um að mynda hliðar- og lóðrétta heterostructures með grafeni. Slík kerfi er hægt að nota við þróun nýrra tegunda tvívíddar frumefna sem notuð eru í nanótækni, sveigjanlegrar og klæðanlegrar rafeindatækni, sem og nýrra tegunda hálfleiðara.
Rannsakendur telja sjálfir að þróun þeirra gæti verið öflug sókn fram á við fyrir rafeindatæknitengda tækni. Hins vegar er enn erfitt að segja með vissu að orð þeirra verði spámannleg. Í augnablikinu er enn margt sem þarf að rannsaka, skilja og finna upp svo þessar vísindaskáldsöguhugmyndir sem fylla hugi vísindamanna verði að fullum veruleika.
Takk fyrir að lesa, vertu forvitin og eigið frábæra viku krakkar. 🙂
Þakka þér fyrir að vera hjá okkur. Líkar þér við greinarnar okkar? Viltu sjá meira áhugavert efni? Styðjið okkur með því að leggja inn pöntun eða mæla með því við vini, 30% afsláttur fyrir Habr notendur á einstökum hliðstæðum upphafsþjónum, sem var fundið upp af okkur fyrir þig: (fáanlegt með RAID1 og RAID10, allt að 24 kjarna og allt að 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 sinnum ódýrari? Aðeins hér í Hollandi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - frá $99! Lestu um
Heimild: www.habr.com