«Мутация – эволюцияның құпиясын ашудың кілті. Ең қарапайым организмнен басым биологиялық түрге дейінгі даму жолы мыңдаған жылдарға созылады. Бірақ әрбір жүз мың жыл сайын эволюцияда күрт секіріс болады» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Егер комикстер мен фильмдердегі барлық ғылыми-фантастикалық элементтерді алып тастасақ, профессор Икстің сөздері әбден рас. Бір нәрсенің дамуы көп жағдайда біркелкі жүреді, бірақ кейде бүкіл процеске үлкен әсер ететін секірулер болады. Бұл түрлердің эволюциясына ғана емес, негізгі қозғаушы күші адамдар, олардың зерттеулері мен өнертабыстары болып табылатын технология эволюциясына да қатысты. Бүгін біз оның авторларының пікірінше, нанотехнологиядағы нағыз эволюциялық секіріс болып табылатын зерттеумен танысамыз. Солтүстік-Батыс университетінің (АҚШ) ғалымдары жаңа екі өлшемді гетероструктураны қалай жасай алды, неліктен графен мен борофен негіз ретінде таңдалды және мұндай жүйе қандай қасиеттерге ие болуы мүмкін? Бұл туралы зерттеу тобының есебінде айтылады. Бар.
Зерттеу негізі
Біз «графен» терминін бірнеше рет естідік; бұл қалыңдығы 1 атом көміртегі атомдарының қабатынан тұратын көміртектің екі өлшемді модификациясы. Бірақ «борофен» өте сирек кездеседі. Бұл термин тек бор (В) атомдарынан тұратын екі өлшемді кристалды білдіреді. Борофеннің болу мүмкіндігі алғаш рет 90-шы жылдардың ортасында болжанған, бірақ іс жүзінде бұл құрылымды тек 2015 жылға қарай алуға болады.
Борофеннің атомдық құрылымы үшбұрышты және алтыбұрышты элементтерден тұрады және екі орталықты және көп орталықты жазықтықтағы байланыстардың өзара әрекеттесуінің салдары болып табылады, бұл борды қамтитын электрон тапшылығы бар элементтерге өте тән.
*Екі орталықты және көп орталықты байланыс деп химиялық байланыстарды – молекуланың немесе кристалдың біртұтас құрылым ретінде тұрақтылығын сипаттайтын атомдардың өзара әрекеттесуін түсінеміз. Мысалы, екі орталықты екі электронды байланыс 2 атом 2 электронды бөліскенде, ал екі орталықты үш электронды байланыс 2 атом және 3 электрон және т.б.
Физикалық тұрғыдан алғанда, борофен графенге қарағанда күшті және икемді болуы мүмкін. Сондай-ақ, борофен құрылымдары аккумуляторлар үшін тиімді қосымша болуы мүмкін деп саналады, өйткені борофен жоғары меншікті сыйымдылыққа және бірегей электронды өткізгіштікке және иондарды тасымалдау қасиеттеріне ие. Дегенмен, қазіргі уақытта бұл тек теория.
Болуы үш валентті элемент*, борда кем дегенде 10 бар аллотроптар*. Екі өлшемді пішінде, ұқсас полиморфизм* да байқалады.
Үш валентті элемент* валенттілігі үшке тең үш коваленттік байланыс түзуге қабілетті.
Аллотропия* - бір химиялық элемент екі немесе одан да көп жай заттар түрінде ұсынылуы мүмкін болғанда. Мысал ретінде көміртек – алмаз, графен, графит, көміртекті нанотүтіктер және т.б.
Полиморфизм* - заттың әртүрлі кристалдық құрылымдарда (полиморфтық модификациялар) болу қабілеті. Қарапайым заттар жағдайында бұл термин аллотропиямен синоним болып табылады.
Осы кең полиморфизмді ескере отырып, борофен жаңа екі өлшемді гетероструктураларды құру үшін тамаша үміткер болуы мүмкін деп болжанады, өйткені бордың әртүрлі байланыс конфигурациялары торға сәйкестік талаптарын жеңілдетуі керек. Өкінішке орай, бұл мәселе бұрын синтездегі қиындықтарға байланысты тек теориялық деңгейде зерттелді.
Көп қабатты кристалдардан алынған кәдімгі 2D материалдары үшін тік гетероқұрылымдарды механикалық қабаттастыру арқылы жүзеге асыруға болады. Екінші жағынан, екі өлшемді бүйірлік гетероқұрылымдар төменнен жоғарыға синтезге негізделген. Атомдық дәл бүйірлік гетероқұрылымдар гетероидациялық функционалды басқару мәселелерін шешуде үлкен әлеуетке ие, алайда, коваленттік байланыстың арқасында тордың жетілмеген сәйкестігі әдетте кең және ретсіз интерфейстерге әкеледі. Сондықтан әлеует бар, бірақ оны жүзеге асыруда проблемалар да бар.
Бұл жұмыста зерттеушілер борофен мен графенді бір екі өлшемді гетероструктураға біріктіре алды. Кристаллографиялық тордың сәйкессіздігі мен борофен мен графен арасындағы симметрияға қарамастан, көміртегі мен бордың Ag(111) субстратына ультра жоғары вакуумда (UHV) дәйекті тұндыру болжамды тордың гетероинтерфейстері, сондай-ақ тордың гетерофазасының болжамды туралануы бар дерлік атомдық дәлдікке әкеледі. .
Зерттеуге дайындық
Гетероструктураны зерттемес бұрын оны ойлап шығару керек болды. Графен мен борофеннің өсуі 1х10-10 миллибар қысыммен ультра жоғары вакуумдық камерада жүргізілді.
Монокристалды Ag(111) субстраты атомдық таза және тегіс Ag() алу үшін Ar+ шашыратудың (1 x 10-5 миллибар, 800 эВ, 30 минут) және термиялық күйдірудің (550 °C, 45 минут) қайталанатын циклдары арқылы тазартылды. 111) беті.
Графен диаметрі 99,997 мм таза (2.0%) графит таяқшасын ~ 750 А қыздыру токында және ~ 111 кВ жеделдету кернеуінде 1.6 °C дейін қыздырылған Ag (2) субстратқа электронды сәуле арқылы булану арқылы өсірілді. , бұл ~ 70 мА эмиссиялық тоқты және ~40 нА көміртегі ағынын береді. Камерадағы қысым 1 х 10-9 миллибар болды.
Борофен таза (99,9999%) бор таяқшасын 400-500 °C дейін қыздырылған Ag (111) бойынша субмонолаярлы графенге электронды сәуле арқылы булану арқылы өсірілді. Жіптің ток күші ~1.5 А, ал жеделдету кернеуі 1.75 кВ болды, бұл ~34 мА эмиссиялық токты және ~10 нА бор ағынын береді. Борофеннің өсуі кезінде камерадағы қысым шамамен 2 х 10-10 миллибар болды.
Зерттеу нәтижелері
№1 сурет
Сурет бойынша 1A көрсетілген STM* өсірілген графеннің суреті, мұнда графен домендері карта арқылы жақсы көрінеді dI/dV (1B), мұнда I и V туннельдік ток және үлгінің орын ауыстыруы, және d — тығыздық.
STM* — сканерлеуші туннельдік микроскоп.
dI/dV үлгі карталары Ag(111) субстратымен салыстырғанда графен күйлерінің жоғары жергілікті тығыздығын көруге мүмкіндік берді. Алдыңғы зерттеулерге сәйкес, Ag (111) беттік күйі қадамдық сипаттамаға ие, оң энергияға қарай ығысады. dI/dV графен спектрі (1С), бұл графен күйлерінің жоғары жергілікті тығыздығын түсіндіреді 1B 0.3 эВ кезінде.
Сурет бойынша 1D біз бір қабатты графеннің құрылымын көре аламыз, мұнда бал торы және муар қондырмасы*.
Қондырғы* - белгілі бір аралықта қайталанатын және сол арқылы басқа ауыспалы кезеңмен жаңа құрылым жасайтын кристалдық қосылыс құрылымының ерекшелігі.
Муар* - бір-бірінің үстіне екі периодтық тор үлгісінің суперпозициясы.
Төмен температурада өсу дендритті және ақаулы графен домендерінің пайда болуына әкеледі. Графен мен негізгі субстрат арасындағы әлсіз өзара әрекеттесуге байланысты, графеннің негізгі Ag(111)-ге қатысты айналмалы туралануы бірегей емес.
Бор тұндырғаннан кейін сканерлеуші туннельдік микроскоп (1E) борофен және графен домендерінің комбинациясының болуын көрсетті. Сондай-ақ суретте графеннің ішіндегі аймақтар көрінеді, олар кейінірек борофенмен араласқан графен ретінде анықталды (суретте көрсетілген) Гр/Б). Бұл аймақта үш бағытқа бағытталған және 120° бұрышпен бөлінген сызықтық элементтер де анық көрінеді (сары көрсеткілер).
№2 сурет
Фото қосулы 2A, сонымен қатар 1E, бор тұндыруынан кейін графендегі локализацияланған қараңғы депрессиялардың пайда болуын растаңыз.
Бұл түзілімдерді жақсырақ зерттеу және олардың шығу тегін анықтау үшін сол аймақтың басқа фотосуреті түсірілді, бірақ карталар |dlnI/dz| (2B), мұнда I — туннельдік ток, d тығыздығы, және z — зонд-сынаманы бөлу (микроскоп инесі мен үлгі арасындағы саңылау). Бұл техниканы пайдалану жоғары кеңістіктік ажыратымдылығы бар кескіндерді алуға мүмкіндік береді. Ол үшін микроскоп инесінде CO немесе H2 қолдануға да болады.
бейне 2С ұшы CO-мен қапталған STM көмегімен алынған сурет. Суреттерді салыстыру А, В и С барлық атомдық элементтер екі бірдей емес бағытқа бағытталған үш көршілес жарқын алтыбұрыш ретінде анықталғанын көрсетеді (фотосуреттердегі қызыл және сары үшбұрыштар).
Бұл аймақтың үлкейтілген суреттері (2D) бұл элементтердің қабаттасқан құрылымдармен көрсетілгендей екі графен ішкі торын алатын бор қоспаларымен сәйкес келетінін растайды.
Микроскоп инесінің CO жабыны борофен парағының геометриялық құрылымын ашуға мүмкіндік берді (2E), егер ине CO жабыны жоқ стандартты (металл) болса, бұл мүмкін емес еді.
№3 сурет
Борофен мен графен арасында бүйірлік гетероинтерфейстердің түзілуі (3A) құрамында бор бар графен домендерінің жанында борофен өскенде пайда болуы керек.
Ғалымдар графен-hBN (графен + бор нитриді) негізіндегі бүйірлік гетероинтерфейстер торлы консистенцияға, ал өтпелі металдардың дихалкогенидтеріне негізделген гетеройындар симметриялық консистенцияға ие екенін еске салады. Графен/борофен жағдайында жағдай сәл басқаша - олар тор константалары немесе кристалдық симметрия тұрғысынан ең аз құрылымдық ұқсастыққа ие. Дегенмен, соған қарамастан, бүйірлік графен/борофен гетероинтерфейсі графеннің ирек (ZZ) бағыттарымен тураланған бор жолының (B-қатар) бағыттарымен дерлік тамаша атомдық консистенциясын көрсетеді.3A) Үстінде 3B гетероинтерфейстің ZZ аймағының үлкейтілген кескіні көрсетілген (көк сызықтар бор-көміртекті коваленттік байланыстарға сәйкес келетін фазааралық элементтерді көрсетеді).
Борофен графенмен салыстырғанда төмен температурада өсетіндіктен, графен доменінің шеттері борофенмен гетероинтерфейсті құру кезінде жоғары қозғалғыштыққа ие болуы екіталай. Демек, дерлік атомдық дәл гетероинтерфейс әртүрлі конфигурациялар мен көпситті бор байланыстарының сипаттамаларының нәтижесі болуы мүмкін. Сканерлеуші туннельдік спектроскопиялық спектрлер (3С) және дифференциалды туннель өткізгіштігі (3D) графеннен борофенге электронды көшудің көрінетін интерфейс күйлері жоқ ~5 Å қашықтықта болатынын көрсетеді.
Сурет бойынша 3E 3D форматындағы үш үзік сызық бойымен түсірілген үш сканерлеуші туннельдік спектроскопиялық спектрлер көрсетілген, бұл қысқа электронды ауысудың жергілікті фазааралық құрылымдарға сезімтал еместігін және борофен-күміс интерфейстеріндегімен салыстыруға болатынын растайды.
№4 сурет
Графен интеркалация* бұрын да кеңінен зерттелген, бірақ интеркаланттардың шынайы 2D парақтарына айналуы салыстырмалы түрде сирек кездеседі.
Интеркалация* - молекуланың немесе молекулалар тобының басқа молекулалар немесе молекулалар топтары арасында қайтымды қосылуы.
Бордың кіші атомдық радиусы және графен мен Ag(111) арасындағы әлсіз әрекеттесу графеннің бормен ықтимал интеркаляциясын болжайды. Суретте 4A Дәлелдер бордың интеркалациясын ғана емес, сонымен қатар тік борофен-графен гетероқұрылымдарының, әсіресе графенмен қоршалған үшбұрышты домендердің пайда болуын көрсетеді. Осы үшбұрышты доменде байқалған бал торы графеннің болуын растайды. Алайда, бұл графен қоршаған графенмен салыстырғанда -50 меВ күйлердің төменгі жергілікті тығыздығын көрсетеді (4B). Тікелей Ag(111) графенімен салыстырғанда, спектрдегі күйлердің жоғары жергілікті тығыздығының дәлелі жоқ. dI/dV (4C, көк қисық), Ag(111) беттік күйіне сәйкес, бор интеркалациясының алғашқы дәлелі болып табылады.
Сондай-ақ, ішінара интеркалация үшін күтілгендей, графен торы графен мен үшбұрышты аймақ арасындағы бүйірлік интерфейсте үздіксіз болып қалады (4D - тік бұрышты аймаққа сәйкес келеді 4A, қызыл нүктелі сызықпен шеңберленген). Микроскоптың инесінде CO қолданылған сурет бор алмастырғыш қоспалардың болуын да растады (4E - тік бұрышты аймаққа сәйкес келеді 4A, сары нүктелі сызықпен шеңберленген).
Талдау кезінде ешқандай жабыны жоқ микроскоп инелері де қолданылды. Бұл жағдайда интеркалирленген графен домендерінде периодтылығы 5 Å бір өлшемді сызықтық элементтердің белгілері анықталды (4F и 4G). Бұл бір өлшемді құрылымдар борофен үлгісіндегі бор қатарларына ұқсайды. Графенге сәйкес нүктелер жиынтығынан басқа, кескінді Фурье түрлендіреді 4G 3 Å x 5 Å тікбұрышты торға сәйкес келетін жұп ортогональды нүктелерді көрсетеді (4H), бұл борофен үлгісімен тамаша үйлеседі. Сонымен қатар сызықтық элементтер массивінің үштік бағдарлануы байқалады (1E) борофен парақтары үшін байқалған бірдей басым құрылыммен жақсы келіседі.
Барлық осы бақылаулар Ag шетіне жақын жерде борофенмен графеннің интеркалациясын қатты болжайды, бұл тік борофен-графен гетероқұрылымдарының пайда болуына әкеледі, бұл графеннің бастапқы қамтуын арттыру арқылы тиімді жүзеге асырылуы мүмкін.
4I бойынша тік гетероқұрылымның схемалық көрінісі болып табылады 4H, мұнда бор қатарының бағыты (қызғылт көрсеткі) графеннің зигзаг бағытымен (қара көрсеткі) тығыз сәйкес келеді, осылайша айналмалы пропорционалды тік гетероқұрылымды құрайды.
Зерттеудің нюанстарымен толығырақ танысу үшін мен қарауды ұсынамын и оған.
Эпилогия
Бұл зерттеу борофеннің графенмен бүйірлік және тік гетероқұрылымдарды құруға қабілетті екенін көрсетті. Мұндай жүйелер нанотехнологияда, икемді және тозуға болатын электроникада қолданылатын екі өлшемді элементтердің жаңа түрлерін, сондай-ақ жартылай өткізгіштердің жаңа түрлерін әзірлеуде қолданылуы мүмкін.
Зерттеушілердің өздері олардың дамуы электроникамен байланысты технологиялар үшін күшті алға жылжу болуы мүмкін деп санайды. Алайда олардың сөздері пайғамбарлыққа айналады деп нақты айту әлі қиын. Қазіргі уақытта ғалымдардың санасын толтыратын ғылыми фантастикалық идеялар толыққанды шындыққа айналуы үшін әлі де көп нәрсені зерттеп, түсініп, ойлап табу керек.
Оқығаныңыз үшін рахмет, қызық болыңыз және апта жақсы өтсін. 🙂
Бізбен бірге болғандарыңызға рахмет. Сізге біздің мақалалар ұнайды ма? Қызықты мазмұнды көргіңіз келе ме? Тапсырыс беру немесе достарыңызға ұсыну арқылы бізге қолдау көрсетіңіз, Habr пайдаланушылары үшін біз сіз үшін ойлап тапқан бастапқы деңгейдегі серверлердің бірегей аналогына 30% жеңілдік: (RAID1 және RAID10, 24 ядроға дейін және 40 ГБ DDR4 дейін қол жетімді).
Dell R730xd 2 есе арзан ба? Тек осында Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 ГГц 6C 128 ГБ DDR3 2x960 ГБ SSD 1 Гбит/с 100 ТБ - 99 доллардан бастап! туралы оқыңыз
Ақпарат көзі: www.habr.com