«La mutazione è la chiave per svelare il mistero dell'evoluzione. Il percorso di sviluppo da un organismo unicellulare alla specie biologica dominante dura millenni. Ma ogni centomila anni, nell'evoluzione avviene un salto significativo» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se si ignorano tutti gli elementi di fantascienza presenti nei fumetti e nei film, le parole del professor X sono assolutamente vere. Lo sviluppo di qualsiasi cosa procede uniformemente per gran parte del tempo, ma talvolta si verificano salti che hanno un enorme impatto su tutto il processo. Questo si applica non solo all'evoluzione delle specie, ma anche all'evoluzione delle tecnologie, il cui principale motore sono le persone, le loro ricerche e invenzioni. Oggi avremo il piacere di esaminare uno studio che, secondo i suoi autori, rappresenta un vero e proprio salto evolutivo nelle nanotecnologie. Come sono riusciti gli scienziati della Northwestern University (USA) a creare una nuova eterostruttura bidimensionale, perché sono stati scelti grafene e borofene come base, e quali proprietà può avere un sistema del genere? A questo ci risponderà la relazione del gruppo di ricerca. Iniziamo.
La base della ricerca
Il termine «grafene» l'abbiamo già sentito molte volte: si tratta di una modifica bidimensionale del carbonio, composta da un singolo strato di atomi di carbonio spesso un atomo. Al contrario, «borofene» è un termine raramente incontrato. Esso indica un cristallo bidimensionale composto esclusivamente da atomi di boro (B). Per la prima volta, la possibilità dell'esistenza del borofene è stata prevista a metà degli anni '90, ma in pratica 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 a due centri e legami a più centri all'interno del piano, caratteristica comune agli elementi con carenza di elettroni, come il boro.
*Con i legami a due centri e a più 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 forma quando 2 atomi condividono 2 elettroni, mentre un legame a due centri e tre elettroni avviene quando 2 atomi condividono 3 elettroni, e così via.
Dal punto di vista fisico, il borofene potrebbe essere più resistente e flessibile rispetto al grafene. Si ritiene inoltre che le strutture di borofene possano essere un complemento efficace per le batterie, poiché il borofene ha un'alta capacità specifica e proprietà uniche di conducibilità elettronica e di trasferimento 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 un simile polimorfismo* . Un elemento trivalente*
è in grado di formare tre legami covalenti, la cui valenza è tre. L'allotropia*
— quando un singolo elemento chimico può essere rappresentato da due o più sostanze semplici. Ad esempio, il carbonio — diamante, grafene, grafite, nanotubi di carbonio, ecc. Il polimorfismo*
è la capacità di una sostanza di esistere in diverse strutture cristalline (modificazioni polimorfe). Nel caso delle sostanze semplici, questo termine è sinonimo di allotropia. — capacità di una sostanza di esistere in diverse strutture cristalline (modificazioni polimorfe). Nel caso di sostanze semplici, questo termine è sinonimo di alotropia.
Considerando un simile ampio polimorfismo, si ipotizza che il borofene possa essere un ottimo candidato per la creazione di nuove eterostrutture bidimensionali, poiché le diverse configurazioni dei legami del boro dovrebbero allentare i requisiti per il coordinamento della rete cristallina. Purtroppo, in passato, questa questione è stata esplorata esclusivamente a livello teorico a causa delle difficoltà di sintesi.
Per i comuni materiali 2D ottenuti da cristalli lamellari volumetrici, le eterostrutture verticali possono essere realizzate mediante impilamento meccanico. D'altra parte, le eterostrutture laterali bidimensionali si basano su sintesi ascendenti. Le eterostrutture laterali atomiche presentano un grande potenziale nella risoluzione dei problemi di controllo delle capacità funzionali del ponte eterogeneo, tuttavia, a causa dei legami covalenti, un'inesattezza nel coordinamento della rete porta normalmente a interfacce ampie e disordinate. Pertanto, c'è potenziale, ma ci sono anche problemi nella sua realizzazione.
In questo studio, i ricercatori sono riusciti a integrare il borofene e il grafene in una singola eterostruttura bidimensionale. Nonostante la discrepanza tra le reticoli cristallografici e le simmetrie del borofene e del grafene, il deposito sequenziale di carbonio e boro su un substrato di Ag(111) in alta vacuo (HV) porta a interfacce eterogenee laterali quasi atomico-precise con allineamenti reticolari previsti, oltre a eterointerfacce verticali.
Preparazione allo studio
Prima di studiare l'eterostruttura, era necessario fabbricarla. La crescita del grafene e del borofene è stata effettuata in una camera di alta vacuo con pressione di 1x10-10 millibar.
Il substrato monocristallino Ag(111) è stato pulito mediante cicli ripetuti di sputtering Ar+ (1 x 10-5 millibar, energia 800 eV, 30 minuti) e trattamento termico (550 °C, 45 minuti) fino a ottenere una superficie Ag(111) atomica e piana.
La crescita del grafene è avvenuta mediante l'evaporazione da un'asta di grafite pura (99,997%) con un diametro di 2,0 mm su un substrato di Ag (111) riscaldato a 750 °C, con una corrente di riscaldamento di circa 1,6 A e una tensione accelerante di circa 2 kV, il che porta a 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 avvenuta mediante l'evaporazione da un'asta di boro puro (99,9999%) su un grafene a sottomonolayer riscaldato a 400-500 °C su Ag (111). La corrente di riscaldamento era di circa 1,5 A e la tensione accelerante 1,75 kV, il che porta a una corrente di emissione di circa 34 mA e un flusso di boro di circa 10 nA. Durante la crescita del borofene, la pressione nella camera era di circa 2 x 10^-10 millibar.
Risultati della ricerca
Immagine n. 1
Nell'immagine 1A mostrato STM* immagine del grafene cresciuto, dove i domini di grafene sono meglio visualizzati tramite la mappa dI/dV (1B), dove I e V — corrente di tunnel e spostamento del campione, e d — densità.
STM* — microscopio a scansione tunnel.
dI/dV Le immagini delle mappe hanno mostrato una densità locale di stati del grafene significativamente più alta rispetto al substrato Ag (111). Secondo studi precedenti, lo stato superficiale di Ag (111) presenta una caratteristica a gradini, spostata verso energie positive a dI/dV spettro del grafene (1C), il che spiega la maggiore densità locale di stati del grafene a 1B 0.3 eV.
Nell'immagine 1D Possiamo osservare la struttura del grafene monostrato, dove è chiaramente visibile la rete esagonale e una superstruttura moiré*.
Superstruttura* — è una caratteristica della struttura di un composto cristallino, che si ripete con un certo intervallo e crea così una nuova struttura con un diverso periodo di alternanza.
Moiré* — sovrapposizione di due schemi reticolari periodici uno sull'altro.
A temperature più basse, la crescita porta alla formazione di domini dendritici e difettosi di grafene. A causa delle deboli interazioni tra il grafene e il substrato sottostante, l'allineamento rotazionale del grafene rispetto all'Ag (111) non è unico.
Dopo il deposito di boro, la microscopia a tunnel a scansione (1E) ha mostrato la presenza di domini di borofene e grafene. Nella foto sono visibili anche aree all'interno del grafene, successivamente definite come grafene intercalato da borofene (indicato nella foto Gr/B). In quest'area si possono osservare chiaramente elementi lineari orientati in tre direzioni, separati da un angolo di 120° (frecce gialle).
Immagine n. 2
La foto su 2A, così come 1E, conferma l'emergere di depressioni scure localizzate nel grafene dopo la deposizione di boro.
Per esaminare meglio queste formazioni e determinarne l'origine è stata scattata un'altra foto della stessa area, utilizzando mappe |dlnI/dz| (2В), где I — corrente tunnel, d — densità, e z — separazione sonda-campione (spazio tra l'ago del microscopio e il campione). L'applicazione di questa metodologia consente di ottenere immagini con una risoluzione spaziale superiore. Sono utilizzabili anche CO o H2 sull'ago del microscopio.
Immagine 2C è un'immagine acquisita mediante STM, la cui punta era rivestita di CO. Il confronto delle immagini E, In e C mostra che tutti gli elementi atomici sono definiti 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 accordo con le impurità di boroniche che occupano due sottoreti del grafene, come indicano anche le strutture sovrapposte.
Il rivestimento in SO dell'ago del microscopio ha permesso di rivelare la struttura geometrica del foglio di borofene (2E), cosa che non sarebbe stata possibile se l'ago fosse stato standard (metallico) senza rivestimento in SO.
Immagine n. 3
La formazione di interfacce laterali tra borofene e grafene (3A) dovrebbe avvenire nel caso in cui il borofene cresca accanto a domini di grafene, in cui è già presente il boro.
Gli scienziati ricordano che gli eterointerfacce laterali basati su grafene-hBN (grafene + nitruro di boro) presentano coerenza reticolare, mentre le etero-giunzioni basate su dicalcogenuri di metalli di transizione mostrano coerenza di simmetria. Nel caso di grafene/borofene la situazione è leggermente diversa: hanno una minima somiglianza strutturale dal punto di vista delle costanti reticolari o della simmetria cristallina. Tuttavia, nonostante ciò, l'eterointerfaccia laterale grafene/borofene dimostra una coerenza atomica praticamente ideale, con le direzioni della fila di boro (B-row) allineate alle direzioni zigzag (ZZ) del grafene.3AMostrato 3B un'immagine ingrandita dell'area ZZ dell'eterointerfaccia (con linee blu che segnano gli elementi interfaciali corrispondenti ai legami covalenti boro-carbonio).
Poiché la crescita del borofene avviene a temperature più basse rispetto al grafene, è improbabile che i bordi del dominio di grafene abbiano una mobilità elevata nella formazione di un'interfaccia eterogenea con il borofene. Di conseguenza, un'interfaccia eterogenea quasi atomica è probabilmente il risultato di diverse configurazioni e caratteristiche dei legami multicentrici del boro. Gli spettri della spettroscopia a tunnel a scansione (3C) e della conduttanza 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 3E mostrano tre spettri della spettroscopia a tunnel a scansione, acquisiti lungo tre linee tratteggiate su 3D, che confermano che questo breve passaggio elettronico è insensibile alle strutture interfaciale locali e paragonabile a quello alle interfacce borofene-argento.
Immagine n. 4
Il grafene intercalazione* è stato ampiamente studiato in precedenza, ma la trasformazione degli intercalanti in veri fogli 2D è un fenomeno relativamente raro.
Intercalazione* — intercalazione 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 il grafene e Ag (111) suggeriscono una possibile intercalazione del grafene con il boro. Nell'immagine 4A sono presentate prove non solo di intercalazione del boro, ma anche della formazione di eterostrutture verticali boro-grafene, in particolare domini triangolari circondati da grafene. La rete cellulare osservata in questo dominio triangolare conferma la presenza di grafene. Tuttavia, questo grafene mostra una densità locale di stati più bassa a -50 meV rispetto al grafene circostante (4B). Rispetto al grafene direttamente su Ag (111), l'assenza di segni di alta densità locale di stati nello spettro dI/dV (4C(curva blu), corrispondente allo stato superficiale di Ag (111), è la prima prova di intercalazione del boro.
Inoltre, come previsto per l'intercalazione parziale, la rete di grafene rimane continua su tutta l'interfaccia laterale tra il grafene e l'area triangolare (4D — corrisponde a un'area rettangolare su 4A, delineata da una linea tratteggiata rossa). L'immagine acquisita con SO all'ago del microscopio ha anche confermato la presenza di impurità sostitutive di boro (4E — corrisponde a un'area rettangolare su 4A, delineata da una linea tratteggiata gialla).
Durante l'analisi sono state utilizzate anche le punte del microscopio senza alcun rivestimento. In quel caso, nei domini di grafene intercalati sono stati riscontrati segni di elementi lineari unidimensionali con una periodicità di 5 Å (4F e 4G). Queste strutture unidimensionali ricordano le file di boro nel modello di borofene. Oltre a un insieme di punti corrispondenti al grafene, la trasformata di Fourier dell'immagine su 4G mostra una coppia di punti ortogonali corrispondenti a una reticolato rettangolare di 3 Å x 5 Å (4H), che si allinea perfettamente con il modello di borofene. Inoltre, l'orientamento triplo osservato del reticolo degli elementi lineari (1E) è ben allineato con la stessa struttura prevalente osservata per i fogli di borofene.
Tutte queste osservazioni testimoniano significativamente l'intercalazione del grafene con il borofene vicino ai bordi dell'Ag, il che, a sua volta, porta alla formazione di eterostrutture verticali borofene-grafene, che possono essere realizzate principalmente aumentando il rivestimento di grafene iniziale.
4I è una rappresentazione schematica dell'eterostruttura verticale su 4H, dove la direzione della fila di boro (freccia rosa) è allineata vicino alla direzione zigzag del grafene (freccia nera), formando così un'eterostruttura verticale rotazionalmente coesistente.
Per una comprensione più dettagliata delle sfumature della ricerca, consiglio di dare un'occhiata a e ad esso.
Epilogo
Questo studio ha dimostrato che il borofene è pienamente capace di formare eterostrutture laterali e verticali con il grafene. Questi sistemi possono essere utilizzati nello sviluppo di nuovi tipi di componenti bidimensionali, impiegati in nanotecnologie, elettronica flessibile e indossabile, nonché in nuovi tipi di semiconduttori.
Gli stessi ricercatori ritengono che la loro scoperta possa rappresentare un potente impulso per le tecnologie legate all'elettronica. Tuttavia, è difficile affermare con certezza che le loro parole si avvereranno. Al momento, c'è ancora molto da esplorare, comprendere e inventare affinché quelle idee fantascientifiche che riempiono le menti degli scienziati diventino una piena realtà.
Grazie per l'attenzione, continuate a essere curiosi e buona settimana lavorativa a tutti, ragazzi. 🙂
Grazie per essere con noi. Ti piacciono i nostri articoli? Vuoi vedere più contenuti interessanti? Supportaci effettuando un ordine o raccomandandoci ai tuoi conoscenti, Sconto del 30% per gli utenti di Habr su un'alternativa unica ai server entry-level, progettata da noi per te: (disponibili opzioni con RAID1 e RAID10, fino a 24 core e fino a 40GB DDR4).
Dell R730xd a metà prezzo? Solo da noi nei Paesi Bassi! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — a partire da $99! Scopri di più su
Fonte: habr.com
