二次元デュエット: ボロフェン-グラフェンヘテロ構造の作成

「突然変異は進化の謎を解く鍵です。 最も単純な生物から主要な生物種に至るまでの発展の道程は、何千年にもわたります。 しかし、2000万年ごとに進化は急激に前進している」（チャールズ・ザビエル、『X-MEN』、XNUMX年）。 漫画や映画に存在する SF 要素をすべて捨て去るなら、プロフェッサー X の言葉はまったく真実です。 何かの開発はほとんどの場合均等に進みますが、場合によってはプロセス全体に大きな影響を与えるジャンプが発生することがあります。 これは種の進化だけでなく、テクノロジーの進化にも当てはまります。テクノロジーの進化の主な原動力は人間とその研究、発明です。 今日は、著者らによると、ナノテクノロジーにおける真の進化的飛躍であるという研究を紹介します。 ノースウェスタン大学 (米国) の科学者たちはどのようにして新しい XNUMX 次元ヘテロ構造を作成することができたのでしょうか。なぜグラフェンとボロフェンが基礎として選ばれたのでしょうか。また、そのような系にはどのような特性があるのでしょうか? 研究会の報告書がそれについて教えてくれるだろう。 行く。

研究根拠

「グラフェン」という用語を何度も聞いたことがあるでしょう。これは炭素の二次元修飾であり、厚さ 1 原子の炭素原子の層で構成されています。 しかし、「ボロフェン」は非常にまれです。 ホウ素（B）原子のみからなる二次元結晶を指します。 ボロフェンの存在の可能性は 90 年代半ばに初めて予測されましたが、実際にこの構造が得られたのは 2015 年まででした。

ボロフェンの原子構造は三角形と六角形の元素で構成されており、二中心および多中心の面内結合間の相互作用の結果であり、これはホウ素を含む電子欠損元素に非常に典型的です。

*二中心結合および多中心結合とは、単一構造としての分子または結晶の安定性を特徴付ける原子の相互作用である化学結合を意味します。 たとえば、2 つの原子が 2 つの電子を共有すると 2 中心 3 電子結合が発生し、XNUMX つの原子と XNUMX つの電子が共有すると XNUMX 中心 XNUMX 電子結合が発生します。

物理的な観点から見ると、ボロフェンはグラフェンよりも強く、より柔軟である可能性があります。 また、ボロフェンは高い比容量と独特の電子伝導性およびイオン輸送特性を備えているため、ボロフェン構造は電池を効果的に補うことができるとも考えられています。 ただし、現時点ではこれは単なる理論にすぎません。

ビーイング 三価元素*、ホウ素は少なくとも 10 同素体*。 二次元形式でも同様です 多態性* も観察されている。

三価元素* XNUMXつの共有結合を形成することができ、その価数はXNUMXです。

同素性* - XNUMX つの化学元素が XNUMX つ以上の単純な物質の形で存在する場合。 例としては、カーボン - ダイヤモンド、グラフェン、グラファイト、カーボンナノチューブなどです。

ポリモーフィズム* - 物質が異なる結晶構造で存在する能力 (多形変化)。 単体の場合、この用語は同素性と同義です。

この広範な多形性を考慮すると、ホウ素の結合構造が異なると格子整合要件が緩和されるため、ボロフェンが新しい二次元ヘテロ構造を作成するための優れた候補である可能性があることが示唆されます。 残念ながら、この問題は合成の難しさのため、これまで理論レベルでのみ研究されてきました。

バルク層状結晶から得られる従来の 2D 材料の場合、機械的積層を使用して垂直ヘテロ構造を実現できます。 一方、二次元の横方向ヘテロ構造はボトムアップ合成に基づいています。 原子的に正確な横方向ヘテロ構造は、ヘテロ接合の機能制御問題を解決する上で大きな可能性を秘めていますが、共有結合のため、不完全な格子整合により、一般に幅広で無秩序な界面が生じます。 したがって、可能性はありますが、それを実現するには課題もあります。

この研究では、研究者らはボロフェンとグラフェンを 111 つの XNUMX 次元ヘテロ構造に統合することに成功しました。 ボロフェンとグラフェンの間には結晶学的格子の不一致と対称性があるにもかかわらず、超高真空 (UHV) 下で Ag(XNUMX) 基板上に炭素とホウ素を連続蒸着すると、予測された格子配列を持つほぼ原子的に正確な横方向ヘテロ界面および縦方向ヘテロ界面が得られます。 。

研究の準備

ヘテロ構造を研究する前に、ヘテロ構造を作製する必要がありました。 グラフェンとボロフェンの成長は、1×10-10ミリバールの圧力の超高真空チャンバー内で実行されました。

単結晶 Ag(111) 基板は、Ar+ スパッタリング (1 x 10-5 ミリバール、800 eV、30 分) と熱アニーリング (550 °C、45 分) の繰り返しサイクルによって洗浄され、原子的にクリーンで平坦な Ag( 111) 表面です。

グラフェンは、加熱電流約 99,997 A、加速電圧約 2.0 kV で 750 °C に加熱した Ag (111) 基板上に、直径 1.6 mm の純粋な (2%) グラファイト ロッドを電子ビーム蒸着することによって成長させました。これにより、放出電流は約 70 mA、炭素束は約 40 nA になります。 チャンバー内の圧力は 1 × 10-9 ミリバールでした。

ボロフェンは、99,9999 ～ 400 °C に加熱した Ag (500) 上の単層グラフェン上に純粋な (111%) ホウ素ロッドを電子ビーム蒸着することで成長させました。 フィラメント電流は約 1.5 A、加速電圧は 1.75 kV で、放出電流は約 34 mA、ホウ素束は約 10 nA になります。 ボロフェンの成長中のチャンバー内の圧力は約 2 x 10-10 ミリバールでした。

研究成果

画像 #1

画像上 1А 示されている STM* 成長したグラフェンのスナップショット。マップを使用するとグラフェン ドメインが最もよく視覚化されます。 dI/dV (1V）、ここで I и V はトンネル電流とサンプル変位、 d - 密度。

STM* — 走査型トンネル顕微鏡。

dI/dV サンプルのマップにより、Ag(111) 基板と比較してグラフェンの局所状態密度が高いことがわかりました。 以前の研究によれば、Ag (111) の表面状態はステップ特性を持ち、 dI/dV グラフェンのスペクトル (1S）、これは、表面上のグラフェンの局所状態密度がより高いことを説明しています。 1V 0.3eVで。

画像上 1D 単層グラフェンの構造がわかります。ハニカム格子と モアレ上部構造*.

上部構造* - 一定の間隔で繰り返し、異なる交代周期を持つ新しい構造を作り出す結晶性化合物の構造の特徴。

モアレ* - XNUMX つの周期的なメッシュ パターンを重ね合わせます。

より低い温度では、成長により樹枝状および欠陥のあるグラフェン ドメインが形成されます。 グラフェンとその下の基板との間の相互作用が弱いため、その下のAg(111)に対するグラフェンの回転配列は独特ではありません。

ホウ素蒸着後の走査型トンネル顕微鏡観察 (1E) ボロフェン ドメインとグラフェン ドメインの組み合わせの存在を示しました。 画像にはグラフェン内部の領域も表示されており、後にボロフェンが挿入されたグラフェンであることが判明しました（画像に示されています） グループ/B）。 この領域では、120 方向に配向され、XNUMX° の角度で分離された線状要素もはっきりと見えます (黄色の矢印)。

画像 #2

写真オン 2А以下のような 1E、ホウ素堆積後のグラフェンに局所的な暗い窪みの出現が確認されます。

これらの地層をより詳しく調査し、その起源を知るために、同じ地域の別の写真が撮影されましたが、地図 |dln を使用しました。I/dz| (2B)、ここで I — トンネル電流、 d は密度、そして z — プローブとサンプルの分離 (顕微鏡の針とサンプルの間のギャップ)。 この技術を利用することで、空間分解能の高い画像を取得することが可能になります。 これには、顕微鏡の針に CO または H2 を使用することもできます。

Изображение 2S 先端にCOをコーティングしたSTMを使用して得られた画像です。 画像の比較 А, В и С は、すべての原子要素が XNUMX つの等価でない方向を向いた XNUMX つの隣接する明るい六角形 (写真の赤と黄色の三角形) として定義されていることを示しています。

この付近の拡大画像（2D）これらの元素は、重ね合わされた構造によって示されるように、XNUMX つのグラフェン副格子を占有するホウ素ドーパント不純物と一致していることが確認されています。

顕微鏡針の CO コーティングにより、ボロフェン シートの幾何学的構造を明らかにすることができました (2E）、針が CO コーティングのない標準（金属）の場合は不可能です。

画像 #3

ボロフェンとグラフェン間の横方向ヘテロ界面の形成 (3А）は、すでにホウ素を含むグラフェンドメインの隣にボロフェンが成長するときに発生するはずです。

科学者たちは、グラフェン-hBN (グラフェン + 窒化ホウ素) に基づく横方向ヘテロ界面には格子の一貫性があり、遷移金属ジカルコゲニドに基づくヘテロ接合には対称性の一貫性があることを思い出させます。 グラフェン/ボロフェンの場合は状況が若干異なります。格子定数や結晶の対称性の点で構造的な類似性はほとんどありません。 しかし、それにもかかわらず、横方向のグラフェン/ボロフェンヘテロ界面は、ホウ素列 (B 列) の方向がグラフェンのジグザグ (ZZ) 方向と揃っており、ほぼ完全な原子の一貫性を示しています (3А）。 オン 3V ヘテロ界面のZZ領域の拡大画像が示されています(青い線はホウ素-炭素の共有結合に対応する界面元素を示しています)。

ボロフェンはグラフェンに比べて低温で成長するため、ボロフェンとヘテロ界面を形成する場合、グラフェンドメインのエッジは高い移動度を持たないと考えられます。 したがって、ほぼ原子的に正確なヘテロ界面は、おそらくマルチサイトホウ素結合の異なる構成と特性の結果であると考えられます。 走査型トンネル分光スペクトル (3S) および差動トンネル導電率 (3D) グラフェンからボロフェンへの電子遷移が、目に見える界面状態なしに約 5 Å の距離にわたって起こることを示しています。

画像上 3E 3D の XNUMX 本の破線に沿って取得した XNUMX つの走査トンネル分光スペクトルを示します。これにより、この短い電子遷移が局所的な界面構造の影響を受けず、ボロフェンと銀の界面での電子遷移に匹敵することが確認されています。

画像 #4

グラフェン インターカレーション* も以前に広く研究されてきましたが、インターカラントを真の 2D シートに変換することは比較的まれです。

インターカレーション* - 他の分子または分子グループの間にある分子または分子グループを可逆的に包含すること。

ホウ素の小さな原子半径とグラフェンと Ag(111) 間の弱い相互作用は、グラフェンとホウ素のインターカレーションの可能性を示唆しています。 画像では 4А ホウ素インターカレーションだけでなく、垂直ボロフェン-グラフェンヘテロ構造、特にグラフェンに囲まれた三角形ドメインの形成の証拠も提示されています。 この三角形ドメイン上で観察されるハニカム格子は、グラフェンの存在を確認します。 ただし、このグラフェンは、周囲のグラフェンと比較して、-50 meV で低い局所状態密度を示します (4V）。 Ag(111) 上のグラフェンと直接比較すると、スペクトル内に局所的な状態密度が高いという証拠はありません。 dI/dV (4C、青い曲線）は、Ag(111) 表面状態に対応し、ホウ素インターカレーションの最初の証拠です。

また、部分的なインターカレーションで予想されるように、グラフェン格子はグラフェンと三角形領域の間の横方向界面全体にわたって連続したままです (4D - 上の長方形領域に対応します。 4А赤い点線で囲った部分）。 顕微鏡針上の CO を使用した画像でも、ホウ素置換不純物の存在が確認されました (4E - 上の長方形領域に対応します。 4А、黄色の点線で囲まれています）。

分析中には、コーティングのない顕微鏡針も使用されました。 この場合、5 Åの周期を持つ一次元線形要素の兆候が、インターカレートされたグラフェンドメインで明らかになりました（4F и 4G）。 これらの一次元構造は、ボロフェン モデルのホウ素列に似ています。 グラフェンに対応する点のセットに加えて、画像のフーリエ変換は次のようになります。 4G 3 Å x 5 Å の長方形格子に対応する XNUMX 組の直交点を表示します (4Н)、これはボロフェンモデルとよく一致しています。 さらに、観察された線形要素の配列の三重配向 (1E) は、ボロフェン シートで観察されたのと同じ主な構造とよく一致します。

これらの観察はすべて、Ag の端近くでボロフェンによるグラフェンのインターカレーションを強く示唆しており、その結果、垂直ボロフェン - グラフェン ヘテロ構造の形成につながります。これは、グラフェンの初期被覆率を増やすことで有利に実現できます。

4I 上の垂直ヘテロ構造の概略図です。 4Hここで、ホウ素の列の方向 (ピンクの矢印) はグラフェンのジグザグの方向 (黒い矢印) とほぼ一致しており、回転に比例した垂直ヘテロ構造を形成しています。

研究のニュアンスをより詳しく知りたい場合は、以下を参照することをお勧めします。 科学者の報告 и 追加資料 彼に。

フィナーレ

この研究は、ボロフェンがグラフェンと横方向および縦方向のヘテロ構造を形成できることを示しました。 このようなシステムは、ナノテクノロジー、フレキシブルでウェアラブルなエレクトロニクス、および新しいタイプの半導体で使用される新しいタイプの XNUMX 次元要素の開発に使用できます。

研究者自身は、その開発がエレクトロニクス関連技術を強力に前進させる可能性があると信じています。 しかし、彼らの言葉が預言的になるかどうかを確実に言うのはまだ難しい。 現時点では、科学者の心を満たしているSFのアイデアを本格的な現実にするために、研究、理解、発明すべきことがまだたくさんあります。

読んでいただきありがとうございます。好奇心を持ち続けて、素晴らしい一週間をお過ごしください。 🙂

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出所： habr.com