ორგანზომილებიანი დუეტი: ბოროფენ-გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურების შექმნა

„მუტაცია არის ევოლუციის საიდუმლოს ამოხსნის გასაღები. განვითარების გზა უმარტივესი ორგანიზმიდან დომინანტურ ბიოლოგიურ სახეობამდე ათასობით წელი გრძელდება. მაგრამ ყოველ ასი ათას წელიწადში არის მკვეთრი ნახტომი ევოლუციაში“ (ჩარლზ ქსავიერი, იქს-ადამიანები, 2000). თუ კომიქსებსა და ფილმებში არსებულ ყველა სამეცნიერო ფანტასტიკურ ელემენტს უარვყოფთ, მაშინ პროფესორ X-ის სიტყვები სავსებით მართალია. რაღაცის განვითარება უმეტესად თანაბრად მიმდინარეობს, მაგრამ ზოგჯერ არის ნახტომები, რომლებიც დიდ გავლენას ახდენს მთელ პროცესზე. ეს ეხება არა მხოლოდ სახეობების ევოლუციას, არამედ ტექნოლოგიის ევოლუციას, რომლის მთავარი მამოძრავებელიც ხალხია, მათი კვლევები და გამოგონებები. დღეს ჩვენ გავეცნობით კვლევას, რომელიც მისი ავტორების აზრით, ნამდვილი ევოლუციური ნახტომია ნანოტექნოლოგიაში. როგორ შეძლეს მეცნიერებმა ჩრდილო-დასავლეთის უნივერსიტეტიდან (აშშ) ახალი ორგანზომილებიანი ჰეტეროსტრუქტურის შექმნა, რატომ აირჩიეს გრაფენი და ბოროფენი საფუძვლად და რა თვისებები შეიძლება ჰქონდეს ასეთ სისტემას? ამის შესახებ კვლევითი ჯგუფის ანგარიში მოგვითხრობს. წადი.

კვლევის საფუძველი

ჩვენ არაერთხელ გვსმენია ტერმინი "გრაფინი"; ეს არის ნახშირბადის ორგანზომილებიანი მოდიფიკაცია, რომელიც შედგება ნახშირბადის ატომების ფენისგან 1 ატომის სისქისგან. მაგრამ "ბოროფენი" ძალზე იშვიათია. ეს ტერმინი ეხება ორგანზომილებიან კრისტალს, რომელიც შედგება მხოლოდ ბორის (B) ატომებისგან. ბოროფენის არსებობის შესაძლებლობა პირველად ჯერ კიდევ 90-იანი წლების შუა ხანებში იწინასწარმეტყველეს, მაგრამ პრაქტიკაში ეს სტრუქტურა მხოლოდ 2015 წლისთვის იქნა მიღებული.

ბოროფენის ატომური სტრუქტურა შედგება სამკუთხა და ექვსკუთხა ელემენტებისაგან და არის ორცენტრული და მრავალცენტრიანი სიბრტყის ბმებს შორის ურთიერთქმედების შედეგი, რაც ძალზე დამახასიათებელია ელექტრონის დეფიციტის ელემენტებისთვის, რომელშიც შედის ბორი.

*ორცენტრიან და მულტიცენტრულ ბმებში ვგულისხმობთ ქიმიურ ბმებს - ატომების ურთიერთქმედებას, რომლებიც ახასიათებენ მოლეკულის ან ბროლის, როგორც ერთი სტრუქტურის სტაბილურობას. მაგალითად, ორცენტრიანი ორელექტრონული ბმა წარმოიქმნება მაშინ, როდესაც 2 ატომი იზიარებს 2 ელექტრონს, ხოლო ორცენტრიანი სამელექტრონული ბმა წარმოიქმნება, როდესაც 2 ატომი და 3 ელექტრონი და ა.შ.

ფიზიკური თვალსაზრისით, ბოროფენი შეიძლება იყოს უფრო ძლიერი და მოქნილი ვიდრე გრაფენი. ასევე ითვლება, რომ ბოროფენის სტრუქტურები შეიძლება იყოს ეფექტური შემავსებელი ბატარეებისთვის, რადგან ბოროფენს აქვს მაღალი სპეციფიკური სიმძლავრე და უნიკალური ელექტრონული გამტარობა და იონის ტრანსპორტირების თვისებები. თუმცა, ამ დროისთვის ეს მხოლოდ თეორიაა.

როგორც სამვალენტიანი ელემენტი*ბორს აქვს მინიმუმ 10 ალოტროპები *. ორგანზომილებიანი სახით, მსგავსი პოლიმორფიზმი* ასევე შეინიშნება.

სამვალენტიანი ელემენტი* შეუძლია შექმნას სამი კოვალენტური ბმა, რომელთა ვალენტობა არის სამი.

ალოტროპია* - როდესაც ერთი ქიმიური ელემენტი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს ორი ან მეტი მარტივი ნივთიერების სახით. მაგალითად, ნახშირბადი - ბრილიანტი, გრაფენი, გრაფიტი, ნახშირბადის ნანომილები და ა.შ.

პოლიმორფიზმი* - ნივთიერების არსებობის უნარი სხვადასხვა კრისტალურ სტრუქტურაში (პოლიმორფული მოდიფიკაციები). მარტივი ნივთიერებების შემთხვევაში ეს ტერმინი ალოტროპიის სინონიმია.

ამ ფართო პოლიმორფიზმის გათვალისწინებით, ვარაუდობენ, რომ ბოროფენი შეიძლება იყოს შესანიშნავი კანდიდატი ახალი ორგანზომილებიანი ჰეტეროსტრუქტურების შესაქმნელად, რადგან ბორის შემაკავშირებელმა კონფიგურაციამ უნდა შეამსუბუქოს გისოსების შესატყვისი მოთხოვნები. სამწუხაროდ, ეს საკითხი ადრე მხოლოდ თეორიულ დონეზე იყო შესწავლილი სინთეზის სირთულეების გამო.

ჩვეულებრივი 2D მასალებისთვის, რომლებიც მიღებულია ნაყარი ფენიანი კრისტალებიდან, ვერტიკალური ჰეტეროსტრუქტურები შეიძლება განხორციელდეს მექანიკური დაწყობის გამოყენებით. მეორეს მხრივ, ორგანზომილებიანი გვერდითი ჰეტეროსტრუქტურები დაფუძნებულია ქვემოდან ზევით სინთეზზე. ატომურად ზუსტ ლატერალურ ჰეტეროსტრუქტურებს დიდი პოტენციალი აქვთ ჰეტეროკავშირის ფუნქციური კონტროლის პრობლემების გადაჭრაში, თუმცა, კოვალენტური კავშირის გამო, არასრულყოფილი გისოსების შესატყვისი, როგორც წესი, იწვევს ფართო და მოუწესრიგებელ ინტერფეისებს. აქედან გამომდინარე, არის პოტენციალი, მაგრამ ასევე არის პრობლემები მის რეალიზებაში.

ამ ნაშრომში მკვლევარებმა მოახერხეს ბოროფენისა და გრაფენის ინტეგრირება ერთ ორგანზომილებიან ჰეტეროსტრუქტურაში. მიუხედავად კრისტალოგრაფიული გისოსების შეუსაბამობისა და სიმეტრიისა ბოროფენსა და გრაფენს შორის, ნახშირბადისა და ბორის თანმიმდევრული დეპონირება Ag(111) სუბსტრატზე ულტრა მაღალი ვაკუუმის (UHV) ქვეშ იწვევს თითქმის ატომურად ზუსტ გვერდითი ჰეტეროინტერფეისების პროგნოზირებულ გისოსებს, აგრეთვე ვერტიკალურ ხაზებს. .

კვლევისთვის მომზადება

ჰეტეროსტრუქტურის შესწავლამდე ის უნდა დამზადებულიყო. გრაფენისა და ბოროფენის ზრდა განხორციელდა ულტრამაღალ ვაკუუმ კამერაში 1x10-10 მილიბარი წნევით.

ერთკრისტალური Ag(111) სუბსტრატი გაიწმინდა Ar+ დაფხვნილის განმეორებითი ციკლებით (1 x 10-5 მილიბარი, 800 eV, 30 წუთი) და თერმული ანეილით (550 °C, 45 წუთი), რათა მიიღოთ ატომურად სუფთა და ბრტყელი Ag( 111) ზედაპირი.

გრაფენი გაიზარდა 99,997 მმ დიამეტრის სუფთა (2.0%) გრაფიტის ღეროს ელექტრონული სხივის აორთქლებით Ag (750) სუბსტრატზე, რომელიც გაცხელდა 111 °C ტემპერატურაზე ~ 1.6 A გაცხელების დენით და აჩქარების ძაბვით ~ 2 კვ. , რომელიც იძლევა ემისიის დენს ~ 70 mA და ნახშირბადის ნაკადს ~40 nA. წნევა პალატაში იყო 1 x 10-9 მილიბარი.

ბოროფენი გაიზარდა ელექტრონული სხივის აორთქლების გზით სუფთა (99,9999%) ბორის ღეროზე ქვემოფენის გრაფენზე Ag (400) გაცხელებულ 500-111 °C-მდე. ძაფის დენი იყო ~ 1.5 A და აჩქარების ძაბვა იყო 1.75 კვ, რაც იძლევა ემისიის დენს ~ 34 mA და ბორის ნაკადს ~ 10 nA. წნევა პალატაში ბოროფენის ზრდის დროს იყო დაახლოებით 2 x 10-10 მილიბარი.

კვლევის შედეგები

სურათი #1

სურათზე 1A ნაჩვენებია STM* გაზრდილი გრაფენის სურათი, სადაც გრაფენის დომენები საუკეთესოდ არის ვიზუალიზებული რუქის გამოყენებით dI/dV (1V) სადაც I и V არის გვირაბის დენი და ნიმუშის გადაადგილება და d - სიმჭიდროვე.

STM* - სკანირების გვირაბის მიკროსკოპი.

dI/dV ნიმუშის რუქებმა მოგვცა საშუალება გვენახა გრაფენის მდგომარეობების უფრო მაღალი ადგილობრივი სიმკვრივე Ag(111) სუბსტრატთან შედარებით. წინა კვლევების შესაბამისად, Ag (111) ზედაპირის მდგომარეობას აქვს საფეხურიანი მახასიათებელი, რომელიც გადადის დადებითი ენერგიებისკენ. dI/dV გრაფენის სპექტრი (1S), რაც ხსნის გრაფენის მდგომარეობების უფრო მაღალ ლოკალურ სიმკვრივეს 1V 0.3 ევ-ზე.

სურათზე 1D ჩვენ ვხედავთ ერთშრიანი გრაფენის სტრუქტურას, სადაც თაფლისებრი ბადე და moiré superstructure *.

ზედნაშენი * - კრისტალური ნაერთის სტრუქტურის თავისებურება, რომელიც მეორდება გარკვეული ინტერვალით და ამით ქმნის ახალ სტრუქტურას განსხვავებული მონაცვლეობის პერიოდით.

მოარი* - ორი პერიოდული ბადის ნიმუშის ერთმანეთზე გადანაწილება.

დაბალ ტემპერატურაზე ზრდა იწვევს დენდრიტული და დეფექტური გრაფენის დომენების წარმოქმნას. გრაფენსა და ქვემდებარე სუბსტრატს შორის სუსტი ურთიერთქმედების გამო, გრაფენის ბრუნვითი განლაგება ქვემდებარე Ag(111) მიმართ არ არის უნიკალური.

ბორის დეპონირების შემდეგ, სკანირების გვირაბის მიკროსკოპია (1E) აჩვენა ბოროფენისა და გრაფენის დომენების კომბინაციის არსებობა. სურათზე ასევე ჩანს გრაფენის შიგნით არსებული რეგიონები, რომლებიც მოგვიანებით იქნა იდენტიფიცირებული, როგორც გრაფენი, რომელიც შერეულია ბოროფენთან (მითითებულია სურათზე გრ/ბ). ხაზოვანი ელემენტები, რომლებიც ორიენტირებულია სამი მიმართულებით და გამოყოფილია 120° კუთხით, ასევე აშკარად ჩანს ამ არეში (ყვითელი ისრები).

სურათი #2

ფოტო ჩართულია 2Aროგორც 1Eდაადასტურეთ ლოკალიზებული მუქი დეპრესიების გამოჩენა გრაფენში ბორის დეპონირების შემდეგ.

ამ წარმონაქმნების უკეთ შესასწავლად და მათი წარმოშობის გასარკვევად, გადაიღეს სხვა ფოტოსურათი იმავე ტერიტორიიდან, მაგრამ რუკების გამოყენებით |dlnI/ძ| (2B), სადაც I - გვირაბის დენი, d არის სიმკვრივე და z - ზონდი-ნიმუშის გამიჯვნა (უფსკრული მიკროსკოპის ნემსსა და ნიმუშს შორის). ამ ტექნიკის გამოყენება შესაძლებელს ხდის სურათების მიღებას მაღალი სივრცითი გარჩევადობით. ამისათვის შეგიძლიათ გამოიყენოთ CO ან H2 მიკროსკოპის ნემსზე.

Изображение 2S არის გამოსახულება მიღებული STM-ის გამოყენებით, რომლის წვერი დაფარული იყო CO. სურათების შედარება А, В и С გვიჩვენებს, რომ ყველა ატომური ელემენტი განისაზღვრება, როგორც სამი მიმდებარე ნათელი ექვსკუთხედი, რომლებიც მიმართულია ორი არაეკვივალენტური მიმართულებით (ფოტოებში წითელი და ყვითელი სამკუთხედები).

ამ ტერიტორიის გაფართოებული სურათები (2D) დაადასტურეთ, რომ ეს ელემენტები შეესაბამება ბორის დოპანტურ მინარევებს, რომლებიც იკავებს ორ გრაფენის ქველატს, როგორც ეს მითითებულია ზედმიყენებული სტრუქტურებით.

მიკროსკოპის ნემსის CO-ს დაფარვამ შესაძლებელი გახადა ბოროფენის ფურცლის გეომეტრიული სტრუქტურის გამოვლენა (2E), რაც შეუძლებელი იქნებოდა, თუ ნემსი იქნებოდა სტანდარტული (ლითონის) CO საფარის გარეშე.

სურათი #3

ბოროფენსა და გრაფენს შორის გვერდითი ჰეტეროინტერფეისების ფორმირება (3A) უნდა მოხდეს მაშინ, როდესაც ბოროფენი იზრდება გრაფენის დომენების გვერდით, რომლებიც უკვე შეიცავს ბორს.

მეცნიერები შეგახსენებთ, რომ გრაფენ-hBN-ზე დაფუძნებულ გვერდითი ჰეტეროინტერფეისები (გრაფენი + ბორის ნიტრიდი) აქვს გისოსის კონსისტენციას, ხოლო გარდამავალი ლითონის დიქალკოგენიდებზე დაფუძნებულ ჰეტეროკავშირებს აქვთ სიმეტრიის თანმიმდევრულობა. გრაფენის/ბოროფენის შემთხვევაში სიტუაცია ოდნავ განსხვავებულია – მათ აქვთ მინიმალური სტრუქტურული მსგავსება გისოსების მუდმივების ან კრისტალური სიმეტრიის თვალსაზრისით. თუმცა, ამის მიუხედავად, გვერდითი გრაფინის/ბოროფენის ჰეტეროინტერფეისი აჩვენებს თითქმის სრულყოფილ ატომურ თანმიმდევრულობას, ბორის რიგის (B-სტრიქონი) მიმართულებები შეესაბამება გრაფენის ზიგზაგის (ZZ) მიმართულებებს.3A). Ზე 3V ნაჩვენებია ჰეტეროინტერფეისის ZZ რეგიონის გადიდებული სურათი (ლურჯი ხაზები მიუთითებს ბორის-ნახშირბადის კოვალენტურ ბმებთან შესაბამის ინტერფეისულ ელემენტებს).

ვინაიდან ბოროფენი გრაფენთან შედარებით დაბალ ტემპერატურაზე იზრდება, გრაფენის დომენის კიდეებს ნაკლებად სავარაუდოა, რომ ჰქონდეს მაღალი მობილურობა ბოროფენთან ჰეტეროინტერფეისის ფორმირებისას. მაშასადამე, თითქმის ატომურად ზუსტი ჰეტეროინტერფეისი, სავარაუდოდ, მრავალადგილიანი ბორის ბმების განსხვავებული კონფიგურაციისა და მახასიათებლების შედეგია. სკანირების გვირაბის სპექტროსკოპიის სპექტრები (3S) და დიფერენციალური გვირაბის გამტარობა (3Dაჩვენეთ, რომ ელექტრონული გადასვლა გრაფენიდან ბოროფენზე ხდება ~5 Å მანძილზე, ხილული ინტერფეისის მდგომარეობების გარეშე.

სურათზე 3E ნაჩვენებია სამი სკანირებადი გვირაბის სპექტროსკოპიის სპექტრი, გადაღებული სამი წყვეტილი ხაზის გასწვრივ 3D, რომლებიც ადასტურებენ, რომ ეს მოკლე ელექტრონული გადასვლა არ არის მგრძნობიარე ადგილობრივი ინტერფეისის სტრუქტურების მიმართ და შედარებულია ბოროფენ-ვერცხლის ინტერფეისებთან.

სურათი #4

გრაფენი ინტერკალაცია * ასევე ადრე იყო ფართოდ შესწავლილი, მაგრამ ინტერკალანტების ნამდვილ 2D ფურცლებად გადაქცევა შედარებით იშვიათია.

ინტერკალაცია* - მოლეკულის ან მოლეკულების ჯგუფის შექცევადი ჩართვა სხვა მოლეკულებს ან მოლეკულების ჯგუფებს შორის.

ბორის მცირე ატომური რადიუსი და სუსტი ურთიერთქმედება გრაფენსა და Ag(111) შორის ვარაუდობს გრაფენის შესაძლო ინტერკალაციას ბორთან. გამოსახულებაში 4A წარმოდგენილია არა მხოლოდ ბორის ინტერკალაციის, არამედ ვერტიკალური ბოროფენ-გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურების, განსაკუთრებით სამკუთხა დომენების წარმოქმნის შესახებ, რომლებიც გარშემორტყმულია გრაფენით. ამ სამკუთხა დომენზე დაფიქსირებული თაფლის გისოსი ადასტურებს გრაფენის არსებობას. თუმცა, ეს გრაფენი ავლენს მდგომარეობების უფრო დაბალ ლოკალურ სიმკვრივეს -50 მევ-ზე მიმდებარე გრაფენთან შედარებით.4V). უშუალოდ Ag(111-ზე) გრაფენთან შედარებით, არ არის მტკიცებულება მდგომარეობების მაღალი ადგილობრივი სიმკვრივის შესახებ სპექტრში. dI/dV (4C, ლურჯი მრუდი), რომელიც შეესაბამება Ag(111) ზედაპირის მდგომარეობას, არის ბორის ინტერკალაციის პირველი მტკიცებულება.

ასევე, როგორც მოსალოდნელია ნაწილობრივი ინტერკალაციისთვის, გრაფენის გისოსი უწყვეტი რჩება გრაფენსა და სამკუთხა რეგიონს შორის გვერდითი ინტერფეისის განმავლობაში (4D - შეესაბამება მართკუთხა ფართობს 4Aწითელ წერტილოვანი ხაზით შემოხაზული). მიკროსკოპის ნემსზე გამოსახულმა ნახშირორჟანგის გამოყენებით ასევე დაადასტურა ბორის შემცვლელი მინარევების არსებობა (4E - შეესაბამება მართკუთხა ფართობს 4A, შემოხაზულია ყვითელი წერტილოვანი ხაზით).

ანალიზის დროს ასევე გამოყენებული იქნა მიკროსკოპის ნემსები ყოველგვარი საფარის გარეშე. ამ შემთხვევაში, ერთგანზომილებიანი ხაზოვანი ელემენტების ნიშნები 5 Å პერიოდულობით გამოვლინდა ინტერკალურ გრაფენის დომენებში (4F и 4G). ეს ერთგანზომილებიანი სტრუქტურები წააგავს ბორის რიგებს ბოროფენის მოდელში. გრაფენის შესაბამისი წერტილების სიმრავლის გარდა, გამოსახულების ფურიე გარდაიქმნება 4G აჩვენებს ორთოგონალურ წერტილებს, რომლებიც შეესაბამება 3 Å x 5 Å მართკუთხა გისოსს (4Н), რომელიც შესანიშნავად შეესაბამება ბოროფენის მოდელს. გარდა ამისა, ხაზოვანი ელემენტების მასივის დაკვირვებული სამმაგი ორიენტაცია (1E) კარგად ეთანხმება იმავე უპირატეს სტრუქტურას, რომელიც დაფიქსირდა ბოროფენის ფურცლებზე.

ყველა ეს დაკვირვება მტკიცედ გვთავაზობს გრაფენის ბორფენის მიერ Ag-ის კიდეების მახლობლად ჩარევას, რაც, შესაბამისად, იწვევს ვერტიკალური ბოროფენ-გრაფენის ჰეტეროსტრუქტურების წარმოქმნას, რაც უპირატესად შეიძლება განხორციელდეს გრაფენის საწყისი საფარის გაზრდით.

4I არის ვერტიკალური ჰეტეროსტრუქტურის სქემატური გამოსახულება 4H, სადაც ბორის მწკრივის მიმართულება (ვარდისფერი ისარი) მჭიდროდ შეესაბამება გრაფენის ზიგზაგის მიმართულებას (შავი ისარი), რითაც ქმნის ბრუნვით პროპორციულ ვერტიკალურ ჰეტეროსტრუქტურას.

კვლევის ნიუანსების უფრო დეტალური გაცნობისთვის გირჩევთ ნახოთ მეცნიერები იუწყებიან и დამატებითი მასალები მას.

ეპილოგი

ამ კვლევამ აჩვენა, რომ ბოროფენს საკმაოდ შეუძლია გრაფენით გვერდითი და ვერტიკალური ჰეტეროსტრუქტურების ჩამოყალიბება. ასეთი სისტემები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ახალი ტიპის ორგანზომილებიანი ელემენტების შემუშავებაში, რომლებიც გამოიყენება ნანოტექნოლოგიაში, მოქნილ და ტარებადი ელექტრონიკაში, ასევე ახალი ტიპის ნახევარგამტარები.

თავად მკვლევარები თვლიან, რომ მათი განვითარება შეიძლება იყოს ძლიერი წინსვლა ელექტრონიკასთან დაკავშირებული ტექნოლოგიებისთვის. თუმცა, ჯერ კიდევ ძნელია დანამდვილებით იმის თქმა, რომ მათი სიტყვები წინასწარმეტყველური გახდება. ამ დროისთვის ჯერ კიდევ ბევრია გამოსაკვლევი, გაგება და გამოგონება, რათა ის სამეცნიერო ფანტასტიკის იდეები, რომლებიც ავსებს მეცნიერთა გონებას, გახდეს სრულფასოვანი რეალობა.

გმადლობთ, რომ კითხულობთ, იყავით ცნობისმოყვარეები და კარგი კვირა გქონდეთ ბიჭებო. 🙂

გმადლობთ, რომ დარჩით ჩვენთან. მოგწონთ ჩვენი სტატიები? გსურთ ნახოთ უფრო საინტერესო შინაარსი? მხარი დაგვიჭირეთ შეკვეთის განთავსებით ან მეგობრებისთვის რეკომენდაციით, 30% ფასდაკლება Habr-ის მომხმარებლებისთვის საწყისი დონის სერვერების უნიკალურ ანალოგზე, რომელიც ჩვენ მიერ გამოგონილია თქვენთვის: მთელი სიმართლე VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps 20$-დან ან როგორ გავაზიარო სერვერი? (ხელმისაწვდომია RAID1 და RAID10-ით, 24 ბირთვამდე და 40 გბ-მდე DDR4).

Dell R730xd 2-ჯერ იაფია? Მხოლოდ აქ 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ტელევიზორი $199-დან ნიდერლანდებში! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - $99-დან! Წაიკითხო რაღაცის შესახებ როგორ ავაშენოთ ინფრასტრუქტურის კორპუსი. კლასი Dell R730xd E5-2650 v4 სერვერების გამოყენებით 9000 ევროს ღირებულების პენი?

წყარო: www.habr.com