דואט דו מימדי: יצירת מבנים הטרו-מבני בורופן-גרפן

"מוטציה היא המפתח לפיתוח תעלומת האבולוציה. נתיב ההתפתחות מהאורגניזם הפשוט ביותר למין הביולוגי הדומיננטי נמשך אלפי שנים. אבל כל מאה אלף שנה יש קפיצה חדה קדימה באבולוציה" (צ'ארלס אקסבייר, אקס-מן, 2000). אם נזרוק את כל מרכיבי המדע הבדיוני הקיימים בקומיקס ובסרטים, אז דבריו של פרופסור X נכונים למדי. הפיתוח של משהו מתנהל בצורה שווה רוב הזמן, אבל לפעמים יש קפיצות שיש להן השפעה עצומה על התהליך כולו. זה תקף לא רק לאבולוציה של מינים, אלא גם לאבולוציה של טכנולוגיה, שהמניע העיקרי שלה הוא האנשים, המחקר וההמצאות שלהם. היום נכיר מחקר שלפי מחבריו הוא קפיצת מדרגה אבולוציונית של ממש בננוטכנולוגיה. כיצד הצליחו מדענים מאוניברסיטת נורת'ווסטרן (ארה"ב) ליצור הטרומבנה דו מימדי חדש, מדוע נבחרו גרפן ובורופן כבסיס, ואילו תכונות עשויות להיות למערכת כזו? הדו"ח של קבוצת המחקר יספר לנו על כך. ללכת.

בסיס מחקר

שמענו את המונח "גרפן" פעמים רבות; זהו שינוי דו מימדי של פחמן, המורכב משכבה של אטומי פחמן בעובי אטום אחד. אבל "בורופן" הוא נדיר ביותר. מונח זה מתייחס לגביש דו מימדי המורכב אך ורק מאטומי בורון (B). אפשרות קיומו של בורופן נחזה לראשונה כבר באמצע שנות ה-1, אך בפועל ניתן היה להשיג את המבנה הזה רק ב-90.

המבנה האטומי של בורופן מורכב מיסודות משולשים ומשושים והוא תולדה של האינטראקציה בין קשרים דו-מרכזיים ורב-מרכזיים במישור, שאופייני מאוד ליסודות חסרי אלקטרונים, הכוללים בורון.

*בקשרים דו-מרכזיים ורב-מרכזיים אנו מתכוונים לקשרים כימיים - אינטראקציות של אטומים המאפיינות את היציבות של מולקולה או גביש כמבנה יחיד. לדוגמה, קשר דו-מרכזי של שני אלקטרונים מתרחש כאשר 2 אטומים חולקים 2 אלקטרונים, וקשר שני-מרכזי שלושה אלקטרונים מתרחש כאשר 2 אטומים ו-3 אלקטרונים וכו'.

מנקודת מבט פיזית, בורופן עשוי להיות חזק וגמיש יותר מגרפן. כמו כן, מאמינים שמבני בורופן יכולים להוות השלמה יעילה לסוללות מכיוון שלבורופן קיבולת ספציפית גבוהה ותכונות מוליכות אלקטרוניות ייחודיות והובלת יונים. עם זאת, כרגע זו רק תיאוריה.

להיות יסוד משולש*, בורון יש לפחות 10 אלוטרופים*. בצורה דו מימדית, דומה רב צורתיות* נצפה גם.

יסוד טריוולנטי* מסוגל ליצור שלושה קשרים קוולנטיים, שהערך שלהם הוא שלושה.

אלוטרופיה* - כאשר ניתן להציג יסוד כימי אחד בצורה של שני חומרים פשוטים או יותר. כדוגמה, פחמן - יהלום, גרפן, גרפיט, ננו-צינורות פחמן וכו'.

רב צורתיות* - יכולתו של חומר להתקיים במבני גביש שונים (שינויים פולימורפיים). במקרה של חומרים פשוטים, מונח זה הוא שם נרדף לאלוטרופיה.

בהתחשב בפולימורפיזם הרחב הזה, מוצע כי בורופן עשוי להיות מועמד מצוין ליצירת מבנים הטרו-מימדיים חדשים, שכן תצורות שונות של קשרי בורון צריכות להרפות את דרישות התאמת הסריג. למרבה הצער, נושא זה נחקר בעבר אך ורק ברמה התיאורטית עקב קשיים בסינתזה.

עבור חומרים דו-ממדיים קונבנציונליים המתקבלים מגבישים בשכבות בתפזורת, ניתן לממש מבנים הטרו-מבנים אנכיים באמצעות ערימה מכנית. מצד שני, מבנים רוחביים דו מימדיים מבוססים על סינתזה מלמטה למעלה. להטרו-מבנים רוחביים מדויקים מבחינה אטומית יש פוטנציאל גדול בפתרון בעיות בקרה תפקודיות של הטרוג'נקציה, עם זאת, עקב קשר קוולנטי, התאמת סריג לא מושלמת גורמת בדרך כלל לממשקים רחבים ומופרעים. לכן יש פוטנציאל, אבל יש גם בעיות במימושו.

בעבודה זו הצליחו החוקרים לשלב בורופן וגרפן להטרומבנה דו-ממדי אחד. למרות חוסר ההתאמה והסימטריה של הסריג הקריסטלוגרפי בין בורופן לגרפן, שיקוע רציף של פחמן ובור על מצע Ag(111) תחת ואקום אולטרה-גבוה (UHV) מביא לממשקי הטרו-ממשקים צידיים כמעט מדויקים מבחינה אטומית עם יישורי סריג צפויים, כמו גם ממשקי הטרו אנכיים. .

הכנה ללימודים

לפני לימוד המבנה ההטרו, היה צריך לייצר אותו. הגידול של גרפן ובורופן בוצע בתא ואקום גבוה במיוחד בלחץ של 1x10-10 מיליבר.

המצע החד-גבישי Ag(111) נוקה על ידי מחזורים חוזרים ונשנים של ריזור Ar+ (1 x 10-5 מיליבר, 800 eV, 30 דקות) וחישול תרמי (550 מעלות צלזיוס, 45 דקות) כדי להשיג Ag( אטומי נקי ושטוח) 111) משטח. .

גרפן גדל על ידי אידוי קרן אלקטרונים של מוט גרפיט טהור (99,997%) בקוטר של 2.0 מ"מ על מצע Ag (750) שחומם ל-111 מעלות צלזיוס בזרם חימום של ~ 1.6 A ומתח האצה של ~ 2 קילו וולט. , שנותן זרם פליטה של ​​~ 70 mA ושטף פחמן ~40 nA. הלחץ בתא היה 1 x 10-9 מיליבר.

בורופן גדל באמצעות אידוי קרן אלקטרונים של מוט בורון טהור (99,9999%) על גבי גרפן תת-שכבתי על Ag (400) שחומם ל-500-111 מעלות צלזיוס. זרם הלהט היה ~1.5 A ומתח האצה היה 1.75 קילו וולט, מה שנותן זרם פליטה של ​​~34 mA ושטף בורון של ~10 nA. הלחץ בתא במהלך הגידול של בורופן היה בערך 2 x 10-10 מיליבר.

תוצאות המחקר

תמונה מס' 1

על התמונה 1А מוצג STM* תמונת מצב של גרפן גדל, כאשר תחומי הגרפן מוצגים בצורה הטובה ביותר באמצעות מפה dI/dV (1V), איפה I и V הם זרם המנהור ותזוזה מדגם, ו d - צפיפות.

STM* - מיקרוסקופ מנהור סורק.

dI/dV מפות של המדגם אפשרו לנו לראות צפיפות מקומית גבוהה יותר של מצבי גרפן בהשוואה למצע Ag(111). בהתאם למחקרים קודמים, למצב פני השטח של Ag (111) יש מאפיין צעד, הוסט לכיוון אנרגיות חיוביות על ידי dI/dV ספקטרום של גרפן (1S), מה שמסביר את הצפיפות המקומית הגבוהה יותר של מצבי גרפן על 1V ב-0.3 eV.

על התמונה 1D אנו יכולים לראות את המבנה של גרפן חד-שכבתי, שבו סריג חלת הדבש ו מבנה עליון מואר*.

מִבנֶה עִילִי* - תכונה של מבנה של תרכובת גבישית שחוזרת על עצמה במרווח מסוים ובכך יוצרת מבנה חדש עם תקופת החלפה שונה.

מואר* - סופרפוזיציה של שתי תבניות רשת תקופתיות זו על גבי זו.

בטמפרטורות נמוכות יותר, הצמיחה מובילה להיווצרות של תחומי גרפן דנדריטים ופגומים. עקב אינטראקציות חלשות בין גרפן למצע הבסיסי, היישור הסיבובי של הגרפן ביחס ל-Ag(111) הבסיסי אינו ייחודי.

לאחר שקיעת בורון, מיקרוסקופ מנהור סריקה (1E) הראה נוכחות של שילוב של תחומי בורופן וגרפן. כמו כן, נראים בתמונה אזורים בתוך הגרפן, אשר זוהו מאוחר יותר כגרפן משולב עם בורופן (מצוין בתמונה גר/ב). אלמנטים ליניאריים המכוונים בשלושה כיוונים ומופרדים בזווית של 120° נראים גם הם בבירור באזור זה (חצים צהובים).

תמונה מס' 2

תמונה על 2Аכמו 1E, לאשר את המראה של שקעים כהים מקומיים בגרפן לאחר שקיעת בורון.

על מנת לבחון טוב יותר את התצורות הללו ולברר את מקורן, צולם צילום נוסף מאותו אזור, אך באמצעות מפות |dlnI/dz| (2ב), איפה I - זרם מנהרה, d הוא הצפיפות, ו z - הפרדת בדיקה-דגימה (הפער בין מחט המיקרוסקופ לדגימה). השימוש בטכניקה זו מאפשר לקבל תמונות ברזולוציה מרחבית גבוהה. אתה יכול גם להשתמש CO או H2 על מחט המיקרוסקופ בשביל זה.

Изображение 2S היא תמונה שהתקבלה באמצעות STM שקצהו היה מצופה בCO. השוואה בין תמונות А, В и С מראה שכל היסודות האטומיים מוגדרים כשלושה משושים בהירים סמוכים המכוונים לשני כיוונים לא שווים (משולשים אדומים וצהובים בתצלומים).

תמונות מוגדלות של אזור זה (2D) מאשרים שאלמנטים אלה תואמים לזיהומים של חומרי חומרי בורון, תופסים שני תת-סריגים של גרפן, כפי שמצוין על ידי המבנים המועלים.

ציפוי CO של מחט המיקרוסקופ איפשר לחשוף את המבנה הגיאומטרי של יריעת הבורופאן (2E), מה שהיה בלתי אפשרי אם המחט הייתה סטנדרטית (מתכת) ללא ציפוי CO.

תמונה מס' 3

יצירת ממשקי הטרו לרוחב בין בורופן לגרפן (3А) אמור להתרחש כאשר בורופן גדל לצד תחומי גרפן שכבר מכילים בורון.

מדענים מזכירים שלממשקי הטרו לרוחב המבוססים על גרפן-hBN (גרפן + בורון ניטריד) יש עקביות סריג, ולהטרוג'נקציות המבוססות על דיכאלקוגנידים של מתכת מעבר יש עקביות סימטריה. במקרה של גרפן/בורופן המצב מעט שונה - יש להם דמיון מבני מינימלי מבחינת קבועי הסריג או סימטריית גבישים. עם זאת, למרות זאת, הממשק הטרופן לרוחב גרפן/בורופן מפגין עקביות אטומית כמעט מושלמת, כאשר כיווני שורת הבור (שורה B) מיושרים עם כיווני הזיגזג (ZZ) של הגרפן (3А). עַל 3V מוצגת תמונה מוגדלת של אזור ה-ZZ של הממשק ההטרו-ממשק (קווים כחולים מציינים אלמנטים ממשקיים המתאימים לקשרים קוולנטיים בורון-פחמן).

מכיוון שבורופן גדל בטמפרטורה נמוכה יותר בהשוואה לגרפן, סביר להניח שקצוות תחום הגרפן לא יהיו בעלי ניידות גבוהה בעת יצירת ממשק הטרו עם בורופן. לכן, הממשק ההטרו המדויק כמעט מבחינה אטומית הוא ככל הנראה תוצאה של תצורות ומאפיינים שונים של קשרי בורון מרובי-אתרים. ספקטרוסקופיה של מנהור סריקה (3S) ומוליכות מנהרה דיפרנציאלית (3D) מראים שהמעבר האלקטרוני מגרפן לבורופן מתרחש על פני מרחק של ~5 Å ללא מצבי ממשק גלויים.

על התמונה 3E מוצגות שלוש ספקטרום ספקטרוסקופיה של מנהור סריקה שצולמו לאורך שלושת הקווים המקווקוים בתלת-ממד, אשר מאשרות שהמעבר האלקטרוני הקצר הזה אינו רגיש למבני פנים מקומיים והוא דומה לזה שבממשקי בורופן-כסף.

תמונה מס' 4

גרפן אינטרקלציה* גם בעבר נחקר בהרחבה, אבל ההמרה של intercalants לגיליונות דו-ממדיים אמיתיים היא נדירה יחסית.

אינטרקלציה* - הכללה הפיכה של מולקולה או קבוצת מולקולות בין מולקולות אחרות או קבוצות של מולקולות.

הרדיוס האטומי הקטן של בורון והאינטראקציה החלשה בין גרפן ל-Ag(111) מציעים שילוב אפשרי של גרפן עם בורון. בתמונה 4А מוצגות ראיות לא רק של אינטרקלציית בורון, אלא גם להיווצרות של מבנים אנכיים של בורופן-גרפן, במיוחד תחומים משולשים המוקפים בגרפן. סריג חלת הדבש שנצפה על תחום משולש זה מאשר את נוכחותו של גרפן. עם זאת, גרפן זה מציג צפיפות מקומית נמוכה יותר של מצבים ב-50 meV בהשוואה לגרפן שמסביב (4V). בהשוואה לגרפן ישירות על Ag(111), אין עדות לצפיפות מקומית גבוהה של מצבים בספקטרום dI/dV (4C, עקומה כחולה), המקבילה למצב פני השטח Ag(111), היא העדות הראשונה לשילוב בורון.

כמו כן, כצפוי עבור אינטרקלציה חלקית, סריג הגרפן נשאר רציף לאורך הממשק הרוחבי בין הגרפן לאזור המשולש (4D - מתאים לאזור מלבני על 4А, מוקף בקו מקווקו אדום). תמונה באמצעות CO על מחט מיקרוסקופ אישרה גם את נוכחותם של זיהומים תחליפי בורון (4E - מתאים לאזור מלבני על 4А, מוקף בקו מקווקו צהוב).

במהלך הניתוח נעשה שימוש גם במחטי מיקרוסקופ ללא כל ציפוי. במקרה זה, נחשפו סימנים של יסודות ליניאריים חד-ממדיים עם מחזוריות של 5 Å בתחומי הגרפן המשולבים (4F и 4G). מבנים חד-ממדיים אלה דומים לשורות הבור במודל הבורופין. בנוסף לקבוצת הנקודות המתאימות לגרפן, הפורייה של הפורייה של התמונה לתוך 4G מציג זוג נקודות אורתוגונליות המקבילות לסריג מלבני בגודל 3 Å x 5 Å (4H), מה שמתאים מצוין למודל הבורופין. בנוסף, הכיוון המשולש שנצפה של מערך האלמנטים הליניאריים (1E) מתאים היטב לאותו מבנה דומיננטי שנצפה עבור יריעות בורופן.

כל התצפיות הללו מרמזות מאוד על שילוב של גרפן על ידי בורופן ליד הקצוות של Ag, וכתוצאה מכך מוביל להיווצרות של הטרו-מבנים אנכיים של בורופן-גרפן, אשר ניתן למימוש יתרון על ידי הגדלת הכיסוי הראשוני של גרפן.

4I הוא ייצוג סכמטי של הטרומבנה אנכי על 4H, כאשר הכיוון של שורת הבור (חץ ורוד) מיושר באופן הדוק עם כיוון הזיגזג של הגרפן (חץ שחור), ובכך יוצר הטרומבנה אנכי פרופורציונלי.

להבנה מפורטת יותר של הניואנסים של המחקר, אני ממליץ להסתכל על מדענים מדווחים и חומרים נוספים אליו.

אפילוג

מחקר זה הראה כי בורופן מסוגל בהחלט ליצור מבנים הטרו-מבנים רוחביים ואנכיים עם גרפן. מערכות כאלה יכולות לשמש בפיתוח סוגים חדשים של אלמנטים דו מימדיים המשמשים בננוטכנולוגיה, אלקטרוניקה גמישה ולבישה, כמו גם סוגים חדשים של מוליכים למחצה.

החוקרים עצמם מאמינים שהפיתוח שלהם יכול להיות דחיפה חזקה קדימה עבור טכנולוגיות הקשורות לאלקטרוניקה. עם זאת, עדיין קשה לומר בוודאות שדבריהם יהפכו לנבואיים. כרגע, יש עוד הרבה מה לחקור, להבין ולהמציא כדי שאותם רעיונות מדע בדיוני שממלאים את מוחם של מדענים יהפכו למציאות מלאה.

תודה שקראתם, תהיו סקרנים ושבוע טוב חברים. 🙂

תודה שנשארת איתנו. האם אתה אוהב את המאמרים שלנו? רוצים לראות עוד תוכן מעניין? תמכו בנו על ידי ביצוע הזמנה או המלצה לחברים, 30% הנחה למשתמשי Habr על אנלוגי ייחודי של שרתים ברמת הכניסה, שהומצא על ידינו עבורכם: כל האמת על VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 ליבות) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps החל מ-$20 או איך לשתף שרת? (זמין עם RAID1 ו-RAID10, עד 24 ליבות ועד 40GB DDR4).

Dell R730xd זול פי 2? רק כאן 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV החל מ-$199 בהולנד! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - החל מ-$99! לקרוא על כיצד לבנות תשתיות קורפ. מחלקה עם שימוש בשרתי Dell R730xd E5-2650 v4 בשווי 9000 יורו עבור אגורה?

מקור: www.habr.com