«La mutazione è la chiave per svelare il mistero dell'evoluzione. Il percorso di sviluppo da un organismo unicellulare alla specie biologica dominante richiede millenni. Ma ogni centinaio di migliaia di anni, l'evoluzione fa un balzo in avanti» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se ignoriamo tutti gli elementi di fantascienza presenti nei fumetti e nei film, le parole del Professor X sono piuttosto veritiere. Lo sviluppo di qualcosa è uniforme per la maggior parte del tempo, ma ci sono salti che hanno un enorme impatto su tutto il processo. Questo è valido non solo per l'evoluzione delle specie, ma anche per l'evoluzione delle tecnologie, il cui principale motore sono gli esseri umani, le loro ricerche e invenzioni. Oggi ci confronteremo con uno studio che, secondo i suoi autori, rappresenta un vero salto evolutivo nelle nanotecnologie. Come sono riusciti a creare una nuova eterostruttura bidimensionale i ricercatori della Northwestern University (USA), perché sono stati scelti grafene e borofene come base, e quali proprietà potrebbe avere un tale sistema? Ce lo racconterà la relazione del gruppo di ricerca. Andiamo.
Fondamenti della ricerca
Il termine «grafene» lo abbiamo sentito molte volte— è una modifica bidimensionale del carbonio, composta da uno strato di atomi di carbonio spesso 1 atomica. D'altra parte, «borofene» è un termine che si incontra raramente. Questo termine indica un cristallo bidimensionale composto esclusivamente da atomi di boro (B). La possibilità dell'esistenza del borofene è stata prevista per la prima volta a metà degli anni '90, ma in pratica questo tipo di struttura è stata ottenuta solo nel 2015.
La struttura atomica del borofene è composta da elementi triangolari e esagonali ed è il risultato dell'interazione tra legami intraplanari a due centri e a molti centri, che è caratteristica degli elementi con carenza di elettroni, come il boro.
*Con legami a due centri e molti centri si intendono i legami chimici— interazioni tra atomi che caratterizzano la stabilità di una molecola o di un cristallo come struttura unica. Ad esempio, un legame a due centri e due elettroni si verifica quando 2 atomi condividono 2 elettroni, mentre un legame a due centri e tre elettroni coinvolge 2 atomi e 3 elettroni, e così via.
Dal punto di vista fisico, il borofene può essere più resistente e flessibile rispetto al grafene. Si ritiene inoltre che le strutture di borofene possano essere un'aggiunta efficace per le batterie, poiché il borofene ha un'alta capacità specifica e proprietà uniche di conduzione elettronica e trasporto di ioni. Tuttavia, al momento è solo una teoria.
Essendo un elemento trivalente*, il boro ha almeno 10 allotropi*. In forma bidimensionale, si osserva anche una simile polimorfismo* .
Un elemento trivalente* è in grado di formare tre legami covalenti, la cui valenza è pari a tre.
Allotropia* — quando un singolo elemento chimico può essere rappresentato sotto forma di due o più sostanze semplici. Un esempio è il carbonio — diamante, grafene, grafite, nanotubi di carbonio, ecc.
Polimorfismo* — la capacità di una sostanza di esistere in diverse strutture cristalline (modificazioni polimorfe). Nel caso delle sostanze semplici, questo termine è sinonimo di allotropia.
Tenendo conto di un tale ampio polimorfismo, si suggerisce che il borofene possa diventare un ottimo candidato per la creazione di nuove eterostrutture bidimensionali, poiché diverse configurazioni dei legami del boro dovrebbero alleggerire i requisiti di compatibilità della rete cristallina. Sfortunatamente, questo problema è stato studiato in precedenza esclusivamente a livello teorico a causa delle difficoltà nella sintesi.
Per i materiali 2D comuni, ottenuti da cristalli lamellari voluminosi, le eterostrutture verticali possono essere realizzate mediante impilamento meccanico. D'altra parte, le eterostrutture laterali bidimensionali si basano su una sintesi ascendente. Le eterostrutture laterali atomiche hanno un grande potenziale per risolvere i problemi di controllo delle funzionalità di transizione eterogenea, tuttavia, a causa del legame covalente, una mancata corrispondenza della rete di solito porta a interfacce ampie e disordinate. Pertanto, c'è un potenziale, ma ci sono anche problemi nella sua realizzazione.
In questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a integrare il borofene e il grafene in una singola eterostruttura bidimensionale. Nonostante la discrepanza tra le reticoli cristallografici e la simmetria del borofene e del grafene, il deposito sequenziale di carbonio e boro su un substrato di Ag(111) in vuoto ultraalto (UHV) porta a eterointerfacce laterali quasi atomiche con allineamenti di reticolo previsti, così come a eterointerfacce verticali.
Preparazione per lo studio
Prima di studiare l'eterostruttura, era necessario fabbricarla. La crescita del grafene e del borofene è stata effettuata in una camera di vuoto ultraalto con una pressione di 1x10-10 millibar.
Il substrato monocrystallino di Ag(111) è stato pulito mediante cicli ripetuti di sputtering con Ar+ (1 x 10-5 millibar, energia 800 eV, 30 minuti) e di ricottura termica (550 °C, 45 minuti), fino a ottenere una superficie di Ag(111) atomicamente pulita e piana.
La crescita del grafene è avvenuta tramite l'evaporazione da fascio elettronico di un'asta di grafite pura (99,997%) con diametro di 2.0 mm su un substrato di Ag(111) riscaldato a 750 °C, con una corrente di filamento di circa 1.6 A e una tensione di accelerazione di circa 2 kV, che produce una corrente di emissione di circa 70 mA e un flusso di carbonio di circa 40 nA. La pressione nella camera era di 1 x 10-9 millibar.
La crescita del borofene è stata effettuata tramite l'evaporazione da fascio elettronico di un'asta di boro puro (99,9999%) su un sottolayer di grafene riscaldato a 400-500 °C su Ag(111). La corrente di filamento era di circa 1.5 A, mentre la tensione di accelerazione era di 1.75 kV, producendo una corrente di emissione di circa 34 mA e un flusso di boro di circa 10 nA. La pressione nella camera durante la crescita del borofene era di circa 2 x 10-10 millibar.
Risultati dello studio
Immagine n. 1
Nell'immagine 1A mostrato STM* immagine del grafene cresciuto, in cui i domini di grafene sono meglio visualizzati tramite una mappa dI/dV (1B), dove I e V è la corrente di tunnel e lo spostamento del campione, e d è la densità.
STM* è un microscopio a scansione a tunnel.
dI/dV Le mappe del campione hanno permesso di osservare una densità locale di stati del grafene superiore rispetto al substrato di Ag(111). In conformità con studi precedenti, lo stato superficiale di Ag(111) ha una caratteristica scalare, spostata verso energie positive nel dI/dV spettro del grafene (1С), il che spiega la densità locale di stati del grafene più alta a 1B a 0.3 eV.
Nell'immagine 1D Possiamo osservare la struttura del grafene mono-nivello, in cui è perfettamente visibile la rete esagonale e la superstruttura moiré*.
Superstruttura* — una caratteristica della struttura di un composto cristallino che si ripete a intervalli regolari, creando così una nuova struttura con un diverso periodo di alternanza.
Moire* — la sovrapposizione di due modelli periodici a rete uno sopra l'altro.
A temperature più basse, la crescita porta alla formazione di domini dendritici e difettosi di grafene. A causa delle interazioni deboli tra il grafene e il substrato sottostante, l'allineamento rotazionale del grafene rispetto al sottostante Ag (111) non è unico.
Dopo il deposito del boro, la microscopia a scansione tunneling (1Е) ha mostrato la presenza di domini combinati di boro e grafene. Nella foto sono visibili anche aree all'interno del grafene, successivamente identificate come grafene intercalato con boro (indicato nella foto Gr/B). In quest'area è anche ben visibile la presenza di elementi lineari, orientati in tre direzioni e separati da un angolo di 120° (frecce gialle).
Immagine n. 2
Le immagini di 2A, così come 1Е, confermano l'apparizione di depressioni scure localizzate nel grafene dopo il deposito del boro.
Per esaminare meglio queste formazioni e comprendere la loro origine, è stata scattata un'altra immagine della stessa area, ma utilizzando la mappa |dlnI/dz| (2В), где I — corrente tunnel, d — densità, e z — distanza sonda-campione (spazio tra l'ago del microscopio e il campione). L'applicazione di questa metodologia consente di ottenere immagini con una maggiore risoluzione spaziale. Inoltre, si possono utilizzare CO o H2 sull'ago del microscopio.
L'immagine 2C è una foto ottenuta mediante STM, la cui sonda era rivestita di CO. Il confronto tra le foto A, In e C mostra che tutti gli elementi atomici sono identificati come tre esagoni luminosi adiacenti, orientati in due direzioni non equivalenti (triangoli rossi e gialli nelle immagini).
Le immagini ingrandite di quest'area (2D) confermano che questi elementi sono in conformità con le impurità leganti di boro che occupano due sotto-reti del grafene, come indicano anche le strutture sovrapposte.
Il rivestimento in CO dell'ago del microscopio ha permesso di rivelare la struttura geometrica del foglio di boro (2E), cosa che sarebbe stata impossibile se l'ago fosse stato standard (metallico) senza rivestimento in CO.
Immagine n. 3
La formazione di interfacce eterogenee laterali tra il borofene e il grafene (3A) deve avvenire quando il borofene cresce accanto a domini di grafene che contengono già boron.
Gli scienziati ricordano che le interfacce eterogenee laterali basate su grafene-hBN (grafene + nitruro di boro) presentano coerenza di reticolo, mentre i passaggi eterogenei basati su dichalcogenuri di metalli transitionali mostrano coerenza di simmetrie. Nel caso del grafene/borofene, la situazione è un po' diversa: hanno una minima somiglianza strutturale in termini di costanti di reticolo o simmetria cristallina. Tuttavia, nonostante ciò, l'interfaccia eterogenea laterale grafene/borofene dimostra una coerenza atomica praticamente ideale, con le direzioni della fila di boro (B-row) allineate con le direzioni a zig-zag (ZZ) del grafene (3A). In 3B mostra un'immagine ingrandita dell'area ZZ dell'interfaccia eterogenea (le linee blu evidenziano gli elementi interfaciali corrispondenti ai legami covalenti boro-carbonio).
Poiché la crescita del borofene avviene a una temperatura significativamente più bassa rispetto al grafene, è improbabile che i bordi del dominio di grafene presentino una grande mobilità nella formazione dell'interfaccia eterogenea con il borofene. Di conseguenza, l'interfaccia eterogenea quasi atomicamente precisa potrebbe essere il risultato di diverse configurazioni e caratteristiche dei legami multicentri del boro. Gli spettri di spettroscopia tunnel a scansione (3C) e di conducibilità tunnel differenziale (3D) mostrano che il passaggio elettronico dal grafene al borofene avviene a una distanza di ~ 5 Å senza stati visibili dell'interfaccia.
Nell'immagine 3Е vengono mostrati tre spettri di spettroscopia tunnel a scansione, realizzati lungo le tre linee tratteggiate su 3D, che confermano che questo breve passaggio elettronico è insensibile alle strutture interfaciali locali e comparabile a quello ai confini borofene-argento.
Immagine n. 4
L'intercalazione grafenica* è stata anch'essa ampiamente studiata, tuttavia la trasformazione degli intercalanti in veri fogli 2D è un fenomeno relativamente raro. L'intercalazione*
è l'inclusione reversibile di una molecola o di un gruppo di molecole tra altre molecole o gruppi di molecole. — attivazione reversibile di una molecola o di un gruppo di molecole tra altre molecole o gruppi di molecole.
Il piccolo raggio atomico del boro e la debole interazione tra grafene e Ag (111) suggeriscono una possibile intercalazione del grafene con il boro. Nell'immagine 4A sono mostrati prove non solo dell'intercalazione del boro, ma anche della formazione di eterostrutture verticali boro-grafene, specialmente domini triangolari circondati da grafene. La rete cellulare osservata su questo dominio triangolare conferma la presenza di grafene. Tuttavia, questo grafene dimostra una densità di stati locale più bassa a -50 meV rispetto al grafene circostante (4В). Rispetto al grafene direttamente su Ag (111), l'assenza di segni di alta densità locale di stati nello spettro dI/dV (4C, la curva blu), corrispondente allo stato superficiale di Ag (111), è la prima prova dell'intercalazione del boro.
Come previsto per l'intercalazione parziale, la rete di grafene rimane continua lungo l'interfaccia laterale tra il grafene e l'area triangolare (4D — corrisponde all'area rettangolare su 4A, cerchiata con una linea tratteggiata rossa). Un'immagine ottenuta usando un SPM ha anche confermato la presenza di impurità di sostituzione boro (4E — corrisponde all'area rettangolare su 4A, cerchiata con una linea tratteggiata gialla).
Durante l'analisi sono state utilizzate anche sonde SPM senza alcun rivestimento. In tal caso, sono stati rilevati segni di elementi lineari unidimensionali con una periodicità di 5 Å (4F e 4G). Queste strutture unidimensionali assomigliano a file di boro nel modello del boro-fen. Oltre a un insieme di punti, la trasformata di Fourier dell'immagine su 4G mostra una coppia di punti ortogonali, corrispondenti a una rete rettangolare 3 Å x 5 Å (4H), che si allinea perfettamente con il modello del boro-fen. Inoltre, l'orientazione tripla osservata della rete di elementi lineari (1Е) è ben coerente con la stessa struttura predominante osservata per i fogli di boro-fen.
Tutte queste osservazioni forniscono prove convincenti dell'intercalazione del grafene con boro-fen vicino ai bordi dell'Ag, il che porta quindi alla formazione di eterostrutture verticali boro-grafene, che possono essere prevalentemente realizzate aumentando lo strato di grafene iniziale.
4I è una rappresentazione schematica di un'eterostruttura verticale su 4H, dove la direzione del boronio (freccia rosa) è quasi allineata con la direzione a zig zag del grafene (freccia nera), formando così una eterostruttura verticale rotazionale-omogenea.
Per un approfondimento sulle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad essa.
Epilogo
Questo studio ha mostrato che il borofene è pienamente in grado di formare eterostrutture laterali e verticali con il grafene. Sistemi simili possono essere utilizzati nello sviluppo di nuovi tipi di elementi bidimensionali, impiegati in nanotecnologie, elettronica flessibile e indossabile, e in nuovi tipi di semiconduttori.
Gli stessi ricercatori ritengono che il loro sviluppo potrebbe costituire una potente spinta in avanti per le tecnologie legate all'elettronica. Tuttavia, è difficile affermare con certezza che le loro parole diventeranno profetiche. Attualmente, c'è ancora molto da esplorare, comprendere e inventare affinché quelle idee di fantascienza che occupano la mente degli scienziati diventino una reale realtà.
Grazie per l'attenzione, rimanete curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi. 🙂
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Fonte: habr.com
