"Mutasi minangka kunci kanggo mbukak misteri evolusi. Jalur pangembangan saka organisme sing paling gampang nganti spesies biologi sing dominan bertahan nganti ewonan taun. Nanging saben satus ewu taun ana lompatan sing cetha ing evolusi "(Charles Xavier, X-Men, 2000). Yen kita ngilangi kabeh unsur fiksi ilmiah sing ana ing komik lan film, mula tembung Profesor X pancen bener. Pangembangan soko ditindakake kanthi rata-rata, nanging kadhangkala ana lompatan sing nduwe pengaruh gedhe ing kabeh proses. Iki ditrapake ora mung kanggo evolusi spesies, nanging uga kanggo evolusi teknologi, pembalap utama yaiku wong, riset lan panemuan. Dina iki kita bakal kenal karo studi sing, miturut penulis, minangka lompatan evolusi nyata ing nanoteknologi. Kepiye para ilmuwan saka Universitas Northwestern (USA) bisa nggawe heterostructure rong dimensi anyar, kenapa graphene lan borophene dipilih minangka basis, lan sifat apa sing bisa diduweni sistem kasebut? Laporan klompok riset bakal ngandhani babagan iki. Tindak.
Basis riset
Kita wis krungu istilah "graphene" kaping pirang-pirang; iki minangka modifikasi karbon rong dimensi, sing dumadi saka lapisan atom karbon sing kandel 1 atom. Nanging "borofen" arang banget. Istilah iki nuduhake kristal rong dimensi sing mung dumadi saka atom boron (B). Kemungkinan eksistensi borophene pisanan diprediksi maneh ing pertengahan 90-an, nanging ing praktik struktur iki mung dipikolehi ing taun 2015.
Struktur atom borophene kasusun saka unsur segi telu lan heksagonal lan minangka akibat saka interaksi antarane rong pusat lan multi-pusat ikatan ing-bidang, sing khas banget kanggo unsur sing kurang elektron, sing kalebu boron.
*Miturut obligasi loro-pusat lan multisenter, kita tegese ikatan kimia - interaksi atom sing menehi ciri stabilitas molekul utawa kristal minangka struktur tunggal. Contone, ikatan loro-elektron loro-pusat dumadi nalika 2 atom nuduhake 2 elektron, lan ikatan telu-elektron loro-pusat dumadi nalika 2 atom lan 3 elektron, lsp.
Saka sudut pandang fisik, borophene bisa uga luwih kuwat lan luwih fleksibel tinimbang graphene. Dipercaya manawa struktur borophene bisa dadi pelengkap sing efektif kanggo baterei amarga borophene nduweni kapasitas spesifik sing dhuwur lan konduktivitas elektronik sing unik lan sifat transportasi ion. Nanging, saiki iki mung teori.
Dadi unsur trivalen*, boron duwe paling ora 10 alotrop *. Ing wangun loro-dimensi, padha polimorfisme * uga diamati.
Unsur trivalen* bisa mbentuk telung ikatan kovalen, valensi saka telung.
Alotropi* - nalika siji unsur kimia bisa ditampilake ing wangun loro utawa luwih zat prasaja. Contone, karbon - berlian, graphene, grafit, nanotube karbon, lsp.
Polimorfisme* - kemampuan zat kanggo ana ing struktur kristal sing beda-beda (modifikasi polimorfik). Ing kasus zat sing prasaja, istilah iki sinonim karo alotropi.
Given polymorphism sudhut iki, disaranake borophene bisa dadi calon banget kanggo nggawe heterostructures loro-dimensi anyar, amarga konfigurasi ikatan boron beda kudu ngendhokke syarat cocog kisi. Sayange, masalah iki sadurunge diteliti sacara eksklusif ing tingkat teoretis amarga kesulitan sintesis.
Kanggo bahan 2D konvensional sing dipikolehi saka kristal berlapis akeh, heterostruktur vertikal bisa diwujudake kanthi nggunakake tumpukan mekanik. Ing sisih liya, heterostruktur lateral rong dimensi adhedhasar sintesis ngisor. Heterostruktur lateral sing tepat sacara atom nduweni potensi gedhe kanggo ngrampungake masalah kontrol fungsional heterojunction, nanging amarga ikatan kovalen, pencocokan kisi sing ora sampurna biasane nyebabake antarmuka sing amba lan ora teratur. Mulane, ana potensial, nanging ana uga masalah kanggo nyadari.
Ing karya iki, peneliti bisa nggabungake borophene lan graphene dadi siji heterostructure rong dimensi. Senadyan kisi kristalografik ora cocog lan simetri antarane borofen lan graphene, deposisi sekuensial karbon lan boron menyang substrat Ag (111) ing vakum ultra-dhuwur (UHV) ngasilake heterointerfaces lateral sing meh akurat kanthi atom karo alignment kisi sing diprediksi, uga heterointerfaces vertikal. .
Nyiapake sinau
Sadurunge sinau heterostruktur, kudu digawe. Wutah graphene lan borophene ditindakake ing ruang vakum ultra-dhuwur kanthi tekanan 1x10-10 milibar.
Substrat kristal Ag(111) tunggal diresiki kanthi siklus Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 menit) lan anil termal (550 °C, 45 menit) kanggo entuk Ag sing resik lan rata. 111) lumahing..
Graphene ditanam kanthi penguapan sinar elektron saka batang grafit murni (99,997%) kanthi diameter 2.0 mm ing substrat Ag (750) sing dipanasake nganti 111 ° C kanthi arus pemanasan ~ 1.6 A lan tegangan akselerasi ~ 2 kV. , sing menehi arus emisi ~ 70 mA lan fluks karbon ~ 40 nA. Tekanan ing kamar yaiku 1 x 10-9 millibars.
Borofen dituwuhake liwat penguapan sinar elektron saka batang boron murni (99,9999%) menyang graphene submonolayer ing Ag (400) sing digawe panas nganti 500-111 °C. Arus filamen yaiku ~ 1.5 A lan tegangan akselerasi yaiku 1.75 kV, sing menehi arus emisi ~ 34 mA lan fluks boron ~ 10 nA. Tekanan ing kamar sajrone pertumbuhan borophene kira-kira 2 x 10-10 millibars.
Asil riset
Gambar #1
Ing gambar 1 dituduhake STM* gambar saka graphene thukul, ngendi domain graphene sing paling visualized nggunakake peta dI/dV (1B) ing pundi I и V yaiku saiki tunneling lan pamindahan sampel, lan d - Kapadhetan.
STM* - scanning tunneling mikroskop.
dI/dV peta sampel ngidini kita ndeleng Kapadhetan lokal sing luwih dhuwur saka negara graphene dibandhingake karo substrat Ag (111). Sesuai karo panliten sadurunge, kahanan permukaan Ag (111) nduweni karakteristik langkah, dipindhah menyang energi positif kanthi dI/dV spektrum graphene (1є), sing nerangake Kapadhetan lokal sing luwih dhuwur saka negara graphene ing 1B ing 0.3 ev.
Ing gambar 1D kita bisa ndeleng struktur siji-lapisan graphene, ngendi honeycomb kisi lan superstruktur moiré*.
Superstruktur* - fitur struktur senyawa kristal sing mbaleni ing interval tartamtu lan kanthi mangkono nggawe struktur anyar kanthi periode gantian sing beda.
Moire* - superposisi rong pola bolong périodik ing ndhuwur saben liyane.
Ing suhu sing luwih murah, wutah nyebabake pembentukan domain dendritik lan graphene sing rusak. Amarga interaksi sing ringkih antarane graphene lan substrat sing ndasari, alignment rotasi graphene karo Ag(111) ora unik.
Sawise deposisi boron, scanning tunneling mikroskop (1E) nuduhake anane kombinasi domain borophene lan graphene. Uga katon ing gambar yaiku wilayah ing graphene, sing banjur diidentifikasi minangka graphene interkalated karo borophene (dituduhake ing gambar). Gr/B). Unsur linear sing orientasi ing telung arah lan dipisahake kanthi sudut 120 ° uga katon kanthi jelas ing wilayah iki (panah kuning).
Gambar #2
Foto ing 2uga 1E, konfirmasi katon depresi peteng lokal ing graphene sawise deposition boron.
Supaya luwih bisa nliti formasi kasebut lan ngerteni asal-usule, foto liyane dijupuk saka wilayah sing padha, nanging nggunakake peta |dlnI/dz| (2B), ngendi I - trowongan arus, d punika Kapadhetan, lan z - pemisahan probe-sample (jurang antarane jarum mikroskop lan sampel). Panggunaan tèknik iki ngidini kanggo njupuk gambar kanthi resolusi spasial sing dhuwur. Sampeyan uga bisa nggunakake CO utawa H2 ing jarum mikroskop kanggo iki.
Gambar Gambar 2є yaiku gambar sing dipikolehi nggunakake STM sing pucuke dilapisi CO. Perbandingan gambar А, В и С nuduhake yen kabeh unsur atom ditetepake minangka telung heksagons padhang jejer sing diarahake ing rong arah sing ora padha (segitiga abang lan kuning ing foto).
Gambar sing luwih gedhe ing wilayah iki (2D) konfirmasi manawa unsur-unsur kasebut cocog karo impurities dopan boron, ngenggoni rong sublattices graphene, kaya sing dituduhake dening struktur superimposed.
Lapisan CO saka jarum mikroskop ndadekake bisa mbukak struktur geometris lembaran borophene (2E), sing ora mungkin yen jarum standar (logam) tanpa lapisan CO.
Gambar #3
Pembentukan heterointerfaces lateral antarane borophene lan graphene (3) kudu kedadeyan nalika borophene tuwuh ing jejere domain graphene sing wis ngemot boron.
Para ilmuwan ngelingake yen heterointerfaces lateral adhedhasar graphene-hBN (graphene + boron nitride) nduweni konsistensi kisi, lan heterojunctions adhedhasar dichalcogenides logam transisi nduweni konsistensi simetri. Ing kasus graphene / borophene, kahanane rada beda - padha duwe persamaan struktural minimal ing syarat-syarat konstanta kisi utawa simetri kristal. Nanging, senadyan iki, graphene / borophene heterointerface lateral nuduhake konsistensi atom sing meh sampurna, kanthi arah boron (B-row) sejajar karo arah zigzag (ZZ) saka graphene (3). On 3B gambar magnified saka wilayah ZZ saka heterointerface ditampilake (garis biru nuduhake unsur antarmuka sing cocog karo ikatan kovalen boron-karbon).
Wiwit borophene tuwuh ing suhu sing luwih murah dibandhingake karo graphene, pinggiran domain graphene ora mungkin duwe mobilitas dhuwur nalika mbentuk heterointerface karo borophene. Mulane, heterointerface sing meh presisi atom bisa uga minangka asil saka konfigurasi lan karakteristik ikatan boron multisite sing beda. Scanning tunneling spectroscopy spectra (3єlan konduktivitas terowongan diferensial (3D) nuduhake yen transisi elektronik saka graphene menyang borophene dumadi liwat jarak ~ 5 Å tanpa antarmuka sing katon.
Ing gambar 3E Ditampilake telung spektroskopi tunneling scanning sing dijupuk ing sadawane telung garis putus-putus ing 3D, sing konfirmasi yen transisi elektronik cendhak iki ora sensitif marang struktur antarmuka lokal lan bisa dibandhingake karo antarmuka borophene-perak.
Gambar #4
Graphene interkalasi * uga sadurunge wis akeh sinau, nanging konversi intercalants menyang sheets 2D bener relatif langka.
Interkalasi* - inklusi molekul utawa klompok molekul sing bisa dibalik ing antarane molekul utawa klompok molekul liyane.
Radius atom boron cilik lan interaksi lemah antarane graphene lan Ag(111) nuduhake kemungkinan interkalasi graphene karo boron. Ing gambar 4 bukti diwenehi ora mung interkalasi boron, nanging uga saka tatanan heterostructures borophene-graphene vertikal, utamané domain segitiga diubengi dening graphene. Kisi honeycomb sing diamati ing domain segitiga iki nandheske anané graphene. Nanging, graphene iki nuduhake kapadhetan lokal sing luwih murah ing -50 meV dibandhingake karo graphene ing saubengé (4B). Dibandhingake karo graphene langsung ing Ag(111), ora ana bukti kapadhetan lokal sing dhuwur ing spektrum. dI/dV (4C, kurva biru), sing cocog karo kahanan permukaan Ag (111), minangka bukti pisanan interkalasi boron.
Uga, kaya sing dikarepake kanggo interkalasi parsial, kisi graphene tetep terus ing saindhenging antarmuka lateral antarane graphene lan wilayah segitiga (4D - cocog karo area persegi dowo ing 4, dibunderi ing garis abang titik). Gambar nggunakake CO ing jarum mikroskop uga dikonfirmasi anané impurities substitusi boron (4E - cocog karo area persegi dowo ing 4, dibunderi ing garis titik kuning).
Jarum mikroskop tanpa lapisan uga digunakake sajrone analisis. Ing kasus iki, pratandha saka unsur linear siji-dimensi kanthi periodisitas 5 Å dicethakaké ing domain graphene interkalated (4F и 4G). Struktur siji-dimensi iki padha karo larik boron ing model borophene. Saliyane set titik sing cocog karo graphene, transformasi Fourier saka gambar kasebut dadi 4G nampilake sepasang titik ortogonal sing cocog karo kisi persegi panjang 3 Å x 5 Å (4H), sing cocog banget karo model borophene. Kajaba iku, orientasi telung diamati saka susunan unsur linear (1E) sarujuk uga karo struktur utama padha diamati kanggo sheets borophene.
Kabeh pengamatan iki banget nyaranake interkalasi graphene dening borophene cedhak pinggiran Ag, kang akibate ndadékaké kanggo tatanan heterostructures borophene-graphene vertikal, kang bisa mupangati diwujudake kanthi nambah jangkoan awal graphene.
4I minangka representasi skematis saka heterostructure vertikal ing 4H, ing ngendi arah baris boron (panah jambon) cedhak karo arah zigzag graphene (panah ireng), saéngga mbentuk heterostruktur vertikal sing proporsional kanthi rotasi.
Kanggo kenalan sing luwih rinci karo nuansa sinau, aku nyaranake ndeleng и kanggo dheweke.
Epilogue
Panliten iki nuduhake yen borofen cukup bisa mbentuk heterostruktur lateral lan vertikal kanthi graphene. Sistem kasebut bisa digunakake ing pangembangan jinis anyar unsur rong dimensi sing digunakake ing nanoteknologi, elektronik fleksibel lan bisa dipakai, uga jinis semikonduktor anyar.
Peneliti dhewe percaya yen pangembangane bisa dadi dorongan kuat kanggo teknologi sing gegandhengan karo elektronik. Nanging, isih angel ngomong manawa tembung-tembunge bakal dadi sunnat. Ing wekdal punika taksih kathah ingkang kedah dipuntliti, dipunmangertosi saha dipundamel supados gagasan-gagasan fiksi ilmiah ingkang ngebaki penggalihipun para ilmuwan dados kasunyatan ingkang jangkep.
Matur nuwun kanggo maca, tetep penasaran lan duwe minggu sing apik. 🙂
Matur nuwun kanggo tetep karo kita. Apa sampeyan seneng karo artikel kita? Pengin ndeleng konten sing luwih menarik? Ndhukung kita kanthi nggawe pesenan utawa menehi rekomendasi menyang kanca, Diskon 30% kanggo pangguna Habr ing analog unik saka server level entri, sing diciptakake kanggo sampeyan: (kasedhiya karo RAID1 lan RAID10, munggah 24 intine lan nganti 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kaping luwih murah? Mung kene ing Walanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - saka $99! Maca babagan
Source: www.habr.com