“La mutazione è la chiave per svelare il mistero dell’evoluzione. Il percorso di sviluppo dall'organismo più semplice alla specie biologica dominante dura migliaia di anni. Ma ogni centomila anni c’è un netto balzo in avanti nell’evoluzione” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se scartiamo tutti gli elementi fantascientifici presenti nei fumetti e nei film, allora le parole del Professor X sono del tutto vere. Lo sviluppo di qualcosa procede in modo uniforme per la maggior parte del tempo, ma a volte ci sono dei salti che hanno un impatto enorme sull’intero processo. Ciò vale non solo per l'evoluzione delle specie, ma anche per l'evoluzione della tecnologia, il cui motore principale sono le persone, la loro ricerca e invenzioni. Oggi conosceremo uno studio che, secondo i suoi autori, rappresenta un vero salto evolutivo nella nanotecnologia. Come sono riusciti gli scienziati della Northwestern University (USA) a creare una nuova eterostruttura bidimensionale, perché sono stati scelti come base il grafene e il borofene e quali proprietà potrebbe avere un sistema del genere? Il rapporto del gruppo di ricerca ce lo dirà. Andare.
Base di ricerca
Abbiamo sentito molte volte il termine “grafene”; è una modificazione bidimensionale del carbonio, costituita da uno strato di atomi di carbonio dello spessore di 1 atomo. Ma il “borofen” è estremamente raro. Questo termine si riferisce ad un cristallo bidimensionale costituito esclusivamente da atomi di boro (B). La possibilità dell'esistenza del borofene fu prevista per la prima volta a metà degli anni '90, ma in pratica questa struttura è stata ottenuta solo nel 2015.
La struttura atomica del borofene è costituita da elementi triangolari ed esagonali ed è una conseguenza dell'interazione tra legami nel piano a due centri e multicentro, che è molto tipica per gli elementi carenti di elettroni, tra cui il boro.
*Per legami a due centri e multicentro intendiamo legami chimici: interazioni di atomi che caratterizzano la stabilità di una molecola o di un cristallo come un'unica struttura. Ad esempio, un legame a due elettroni a due centri si verifica quando 2 atomi condividono 2 elettroni, e un legame a tre elettroni a due centri si verifica quando 2 atomi e 3 elettroni, ecc.
Da un punto di vista fisico, il borofene può essere più forte e più flessibile del grafene. Si ritiene inoltre che le strutture del borofene potrebbero essere un complemento efficace per le batterie perché il borofene ha un'elevata capacità specifica e proprietà uniche di conduttività elettronica e trasporto degli ioni. Tuttavia al momento si tratta solo di una teoria.
Essere elemento trivalente*, il boro ne ha almeno 10 allotropi*. In forma bidimensionale, simile polimorfismo* si osserva anche.
Elemento trivalente* capace di formare tre legami covalenti, la cui valenza è tre.
Allotropia* - quando un elemento chimico può presentarsi sotto forma di due o più sostanze semplici. Ad esempio, carbonio - diamante, grafene, grafite, nanotubi di carbonio, ecc.
Polimorfismo* - la capacità di una sostanza di esistere in diverse strutture cristalline (modificazioni polimorfiche). Nel caso delle sostanze semplici questo termine è sinonimo di allotropia.
Dato questo ampio polimorfismo, si suggerisce che il borofene possa essere un eccellente candidato per creare nuove eterostrutture bidimensionali, poiché diverse configurazioni di legame del boro dovrebbero allentare i requisiti di adattamento del reticolo. Sfortunatamente, questo problema è stato precedentemente studiato esclusivamente a livello teorico a causa delle difficoltà di sintesi.
Per i materiali 2D convenzionali ottenuti da cristalli stratificati in massa, è possibile realizzare eterostrutture verticali utilizzando l'impilamento meccanico. D'altra parte, le eterostrutture laterali bidimensionali si basano sulla sintesi dal basso verso l'alto. Le eterostrutture laterali atomicamente precise hanno un grande potenziale nella risoluzione dei problemi di controllo funzionale dell'eterogiunzione, tuttavia, a causa del legame covalente, l'abbinamento reticolare imperfetto si traduce tipicamente in interfacce ampie e disordinate. Pertanto il potenziale esiste, ma ci sono anche problemi nel realizzarlo.
In questo lavoro, i ricercatori sono riusciti a integrare borofene e grafene in un’unica eterostruttura bidimensionale. Nonostante la mancata corrispondenza del reticolo cristallografico e la simmetria tra borofene e grafene, la deposizione sequenziale di carbonio e boro su un substrato di Ag (111) sotto vuoto ultra-alto (UHV) si traduce in eterointerfacce laterali quasi atomicamente precise con allineamenti reticolari previsti, nonché eterointerfacce verticali .
Preparazione per la ricerca
Prima di studiare l'eterostruttura, è stato necessario fabbricarla. La crescita di grafene e borofene è stata effettuata in una camera ad altissimo vuoto con una pressione di 1x10-10 millibar.
Il substrato di Ag(111) a cristallo singolo è stato pulito mediante cicli ripetuti di sputtering di Ar+ (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuti) e ricottura termica (550 °C, 45 minuti) per ottenere un Ag( 111) superficie. .
Il grafene è stato coltivato mediante evaporazione con fascio di elettroni di un'asta di grafite pura (99,997%) con un diametro di 2.0 mm su un substrato di Ag (750) riscaldato a 111 °C con una corrente di riscaldamento di ~ 1.6 A e una tensione di accelerazione di ~ 2 kV , che fornisce una corrente di emissione di ~ 70 mA e un flusso di carbonio di ~ 40 nA. La pressione nella camera era di 1 x 10-9 millibar.
Il borofene è stato coltivato attraverso l'evaporazione con fascio di elettroni di una barra di boro puro (99,9999%) su grafene submonostrato su Ag (400) riscaldato a 500-111 °C. La corrente del filamento era di ~1.5 A e la tensione di accelerazione era di 1.75 kV, che fornisce una corrente di emissione di ~34 mA e un flusso di boro di ~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
Sull'immagine 1А mostrato STM* un'istantanea del grafene coltivato, dove i domini del grafene vengono visualizzati al meglio utilizzando una mappa dI/dV (1Vdove I и V sono la corrente di tunneling e lo spostamento del campione, e d — densità.
STM* — microscopio a effetto tunnel a scansione.
dI/dV le mappe del campione ci hanno permesso di vedere una maggiore densità locale di stati di grafene rispetto al substrato Ag (111). In accordo con studi precedenti, lo stato superficiale dell'Ag (111) ha una caratteristica a gradino, spostato verso energie positive da dI/dV spettro del grafene (1S), il che spiega la maggiore densità locale di stati di grafene 1V a 0.3 eV.
Sull'immagine 1D possiamo vedere la struttura del grafene a strato singolo, dove il reticolo a nido d'ape e sovrastruttura moiré*.
Sovrastruttura* - una caratteristica della struttura di un composto cristallino che si ripete ad un certo intervallo e crea così una nuova struttura con un periodo di alternanza diverso.
Moire* - sovrapposizione di due modelli di maglie periodiche uno sopra l'altro.
A temperature più basse, la crescita porta alla formazione di domini di grafene dendritici e difettosi. A causa delle deboli interazioni tra il grafene e il substrato sottostante, l'allineamento rotazionale del grafene rispetto all'Ag(111) sottostante non è unico.
Dopo la deposizione di boro, microscopia a scansione a effetto tunnel (1E) ha mostrato la presenza di una combinazione di domini di borofene e grafene. Nell'immagine sono visibili anche regioni all'interno del grafene, successivamente identificate come grafene intercalato con borofene (indicato nell'immagine Gr/B). In quest'area sono ben visibili anche gli elementi lineari orientati in tre direzioni e separati da un angolo di 120° (frecce gialle).
Immagine n. 2
Foto su 2АCome 1E, confermano la comparsa di depressioni scure localizzate nel grafene dopo la deposizione di boro.
Per meglio esaminare queste formazioni e scoprirne l'origine, è stata scattata un'altra fotografia della stessa zona, ma utilizzando mappe |dlnI/dz| (2B), dove I — corrente di tunnel, d è la densità e z — separazione sonda-campione (lo spazio tra l'ago del microscopio e il campione). L'utilizzo di questa tecnica permette di ottenere immagini con elevata risoluzione spaziale. A questo scopo è anche possibile utilizzare CO o H2 sull'ago del microscopio.
immagine 2S è un'immagine ottenuta utilizzando un STM la cui punta è stata rivestita con CO. Confronto di immagini А, В и С mostra che tutti gli elementi atomici sono definiti come tre esagoni luminosi adiacenti diretti in due direzioni non equivalenti (triangoli rossi e gialli nelle fotografie).
Immagini ingrandite di quest'area (2D) confermano che questi elementi sono in accordo con le impurità droganti del boro, occupando due sottoreticoli di grafene, come indicato dalle strutture sovrapposte.
Il rivestimento con CO dell'ago del microscopio ha permesso di rivelare la struttura geometrica del foglio di borofene (2E), cosa che sarebbe impossibile se l'ago fosse standard (metallico) senza rivestimento in CO.
Immagine n. 3
Formazione di eterointerfacce laterali tra borofene e grafene (3А) dovrebbe verificarsi quando il borofene cresce accanto a domini di grafene che già contengono boro.
Gli scienziati ricordano che le eterointerfacce laterali basate su grafene-hBN (grafene + nitruro di boro) hanno consistenza reticolare e le eterogiunzioni basate su dicalcogenuri di metalli di transizione hanno consistenza simmetrica. Nel caso del grafene/borofene, la situazione è leggermente diversa: hanno una somiglianza strutturale minima in termini di costanti reticolari o di simmetria cristallina. Tuttavia, nonostante ciò, l’eterointerfaccia laterale grafene/borofene dimostra una consistenza atomica quasi perfetta, con le direzioni della fila del boro (fila B) allineate con le direzioni a zigzag (ZZ) del grafene (3А). Su 3V viene mostrata un'immagine ingrandita della regione ZZ dell'eterointerfaccia (le linee blu indicano elementi interfacciali corrispondenti ai legami covalenti boro-carbonio).
Poiché il borofene cresce a una temperatura inferiore rispetto al grafene, è improbabile che i bordi del dominio del grafene abbiano un'elevata mobilità quando formano un'eterointerfaccia con il borofene. Pertanto, l'eterointerfaccia quasi atomicamente precisa è probabilmente il risultato di diverse configurazioni e caratteristiche dei legami boro multisito. Spettri di spettroscopia a tunneling a scansione (3S) e conducibilità tunnel differenziale (3D) mostrano che la transizione elettronica dal grafene al borofene avviene su una distanza di ~ 5 Å senza stati di interfaccia visibili.
Sull'immagine 3E Sono mostrati tre spettri di spettroscopia a tunneling a scansione presi lungo le tre linee tratteggiate in 3D, che confermano che questa breve transizione elettronica è insensibile alle strutture interfacciali locali ed è paragonabile a quella delle interfacce borofene-argento.
Immagine n. 4
Grafene intercalazione* è stato ampiamente studiato in precedenza, ma la conversione degli intercalanti in veri fogli 2D è relativamente rara.
Intercalazione* - inclusione 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 4А vengono presentate prove non solo dell'intercalazione del boro, ma anche della formazione di eterostrutture verticali borofene-grafene, in particolare domini triangolari circondati da grafene. Il reticolo a nido d'ape osservato su questo dominio triangolare conferma la presenza di grafene. Tuttavia, questo grafene mostra una densità locale di stati inferiore a -50 meV rispetto al grafene circostante (4V). Rispetto al grafene direttamente su Ag(111), non vi è evidenza di un’elevata densità locale di stati nello spettro dI/dV (4C, curva blu), corrispondente allo stato superficiale Ag(111), è la prima prova dell'intercalazione del boro.
Inoltre, come previsto per l'intercalazione parziale, il reticolo di grafene rimane continuo in tutta l'interfaccia laterale tra il grafene e la regione triangolare (4D - corrisponde ad un'area rettangolare su 4А, cerchiato con linea tratteggiata rossa). Un’immagine utilizzando la CO su un ago del microscopio ha confermato anche la presenza di impurità di sostituzione del boro (4E - corrisponde ad un'area rettangolare su 4А, cerchiato con linea tratteggiata gialla).
Durante l'analisi sono stati utilizzati anche aghi per microscopio senza rivestimento. In questo caso, nei domini di grafene intercalati sono stati rivelati segni di elementi lineari unidimensionali con una periodicità di 5 Å (4F и 4G). Queste strutture unidimensionali assomigliano alle file di boro nel modello del borofene. Oltre all'insieme dei punti corrispondenti al grafene, la trasformata di Fourier dell'immagine in 4G visualizza una coppia di punti ortogonali corrispondenti a un reticolo rettangolare di 3 Å x 5 Å (4Н), che è in ottimo accordo con il modello del borofene. Inoltre, il triplo orientamento osservato della serie di elementi lineari (1E) concorda bene con la stessa struttura predominante osservata per i fogli di borofene.
Tutte queste osservazioni suggeriscono fortemente l'intercalazione del grafene da parte del borofene vicino ai bordi di Ag, che di conseguenza porta alla formazione di eterostrutture verticali borofene-grafene, che possono essere vantaggiosamente realizzate aumentando la copertura iniziale di grafene.
4I è una rappresentazione schematica di un'eterostruttura verticale su 4H, dove la direzione della fila del boro (freccia rosa) è strettamente allineata con la direzione a zigzag del grafene (freccia nera), formando così un'eterostruttura verticale rotazionalmente proporzionale.
Per una conoscenza più dettagliata delle sfumature dello studio, consiglio di guardare и a lui.
Finale
Questo studio ha dimostrato che il borofene è abbastanza capace di formare eterostrutture laterali e verticali con il grafene. Tali sistemi possono essere utilizzati nello sviluppo di nuovi tipi di elementi bidimensionali utilizzati nella nanotecnologia, nell'elettronica flessibile e indossabile, nonché in nuovi tipi di semiconduttori.
Gli stessi ricercatori ritengono che il loro sviluppo potrebbe rappresentare un potente impulso alle tecnologie legate all'elettronica. Tuttavia, è ancora difficile dire con certezza che le loro parole diventeranno profetiche. Al momento c'è ancora molto da ricercare, comprendere e inventare affinché quelle idee di fantascienza che riempiono le menti degli scienziati diventino una realtà a tutti gli effetti.
Grazie per aver letto, restate curiosi e buona settimana ragazzi. 🙂
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Fonte: habr.com