XNUMX차원 듀엣: 보로펜-그래핀 헤테로구조 생성

“돌연변이는 진화의 미스터리를 푸는 열쇠입니다. 가장 단순한 유기체에서 지배적인 생물학적 종으로 발전하는 과정은 수천 년 동안 지속됩니다. 그러나 2000만년마다 진화에는 급격한 도약이 있습니다."(Charles Xavier, X-Men, XNUMX) 만화나 영화에 나오는 공상과학적인 요소를 모두 버린다면 X 교수의 말이 딱 맞습니다. 무언가의 개발은 대부분 고르게 진행되지만 때로는 전체 프로세스에 큰 영향을 미치는 점프가 있습니다. 이는 종의 진화뿐만 아니라 기술의 진화에도 적용되며, 그 주요 동인은 사람, 사람의 연구 및 발명입니다. 오늘 우리는 저자에 따르면 나노기술의 진정한 진화적 도약이라는 연구에 대해 알게 될 것입니다. 미국 노스웨스턴 대학교(Northwestern University)의 과학자들은 어떻게 새로운 XNUMX차원 이종 구조를 만들 수 있었습니까? 그래핀과 보로펜을 기초로 선택한 이유는 무엇이며 그러한 시스템은 어떤 특성을 가질 수 있습니까? 연구 그룹의 보고서가 이에 대해 알려줄 것입니다. 가다.

연구기반

우리는 "그래핀"이라는 용어를 여러 번 들었는데, 이는 원자 1개 두께의 탄소 원자 층으로 구성된 탄소의 90차원 변형입니다. 그러나 "보로펜"은 극히 드뭅니다. 이 용어는 붕소(B) 원자만으로 구성된 2015차원 결정을 의미합니다. 보로펜의 존재 가능성은 XNUMX년대 중반에 처음 예측되었지만 실제로는 XNUMX년이 되어서야 이 구조를 얻을 수 있었습니다.

보로펜의 원자 구조는 삼각형 및 육각형 요소로 구성되며 XNUMX중심 및 다중 중심 평면 내 결합 사이의 상호작용의 결과입니다. 이는 붕소를 포함하는 전자가 부족한 요소에 매우 일반적입니다.

*2중심 및 다중심 결합이란 화학 결합, 즉 단일 구조로서의 분자 또는 결정의 안정성을 특징으로 하는 원자의 상호 작용을 의미합니다. 예를 들어, 2개의 원자가 2개의 전자를 공유할 때 3중심 XNUMX전자 결합이 발생하고, XNUMX개의 원자와 XNUMX개의 전자가 공유될 때 XNUMX중심 XNUMX전자 결합이 발생합니다.

물리적 관점에서 보로펜은 그래핀보다 더 강하고 유연할 수 있습니다. 또한 보로펜은 높은 비용량과 독특한 전자 전도성 및 이온 수송 특성을 갖기 때문에 보로펜 구조는 배터리를 효과적으로 보완할 수 있다고 믿어집니다. 그러나 현재 이는 단지 이론일 뿐이다.

것 XNUMX가 원소*, 붕소는 적어도 10 동소체*. XNUMX차원 형태에서는 유사하다. 다형성* 도 관찰된다.

XNUMX가 원소* XNUMX개의 공유결합을 형성할 수 있으며, 그 원자가는 XNUMX이다.

동소체* - 하나의 화학 원소가 두 개 이상의 단순 물질 형태로 나타날 수 있는 경우. 예를 들어 탄소 - 다이아몬드, 그래핀, 흑연, 탄소나노튜브 등이 있다.

다형성* - 물질이 다양한 결정 구조에 존재하는 능력(다형성 변형). 단순 물질의 경우, 이 용어는 동소체와 동의어입니다.

이러한 광범위한 다형성을 고려할 때, 다양한 붕소 결합 구성이 격자 매칭 요구 사항을 완화해야 하기 때문에 보로펜이 새로운 XNUMX차원 이종구조를 생성하기 위한 탁월한 후보가 될 수 있다고 제안됩니다. 불행하게도 이 문제는 이전에는 합성의 어려움으로 인해 이론적 수준에서만 연구되었습니다.

벌크 적층 결정에서 얻은 기존 2D 재료의 경우 기계적 적층을 사용하여 수직 이종 구조를 구현할 수 있습니다. 반면, XNUMX차원 측면 이종구조는 상향식 합성을 기반으로 합니다. 원자적으로 정밀한 측면 이종구조는 이종접합 기능 제어 문제를 해결하는 데 큰 잠재력을 가지고 있지만, 공유 결합으로 인해 불완전한 격자 매칭으로 인해 일반적으로 넓고 무질서한 인터페이스가 발생합니다. 따라서 잠재력은 있지만 이를 실현하는 데에는 문제도 있다.

이번 연구에서 연구진은 보로펜과 그래핀을 하나의 111차원 이종 구조로 통합하는 데 성공했습니다. 보로펜과 그래핀 사이의 결정학적 격자 불일치와 대칭에도 불구하고, 초고진공(UHV) 하에서 탄소와 붕소를 Ag(XNUMX) 기판에 순차적으로 증착하면 수직 헤테로계면뿐만 아니라 예측된 격자 정렬을 갖는 거의 원자적으로 정밀한 측면 헤테로계면이 생성됩니다. .

연구 준비

이종 구조를 연구하기 전에 먼저 제작해야 했습니다. 그래핀과 보로펜의 성장은 1x10-10 밀리바의 압력을 갖는 초고진공 챔버에서 수행되었습니다.

단결정 Ag(111) 기판은 원자적으로 깨끗하고 평평한 Ag( 1) 표면.

그래핀은 ~99,997A의 가열 전류와 ~2.0kV의 가속 전압에서 750°C로 가열된 Ag(111) 기판 위에 직경 1.6mm의 순수(2%) 흑연 막대를 전자빔 증발시켜 성장시켰습니다. 이는 ~ 70 mA의 방출 전류와 ~ 40 nA의 탄소 플럭스를 제공합니다. 챔버의 압력은 1 x 10-9 밀리바였습니다.

보로펜은 99,9999-400°C로 가열된 Ag(500) 위의 하위 단층 그래핀 위에 순수한(111%) 붕소 막대의 전자빔 증발을 통해 성장되었습니다. 필라멘트 전류는 ~1.5A이고 가속 전압은 1.75kV였으며 이는 ~34mA의 방출 전류와 ~10nA의 붕소 플럭스를 제공합니다. 보로펜이 성장하는 동안 챔버의 압력은 대략 2 x 10-10 밀리바였습니다.

연구 결과

이미지 #1

이미지에 1А 표시 STM* 성장한 그래핀의 스냅샷(지도를 사용하여 그래핀 영역이 가장 잘 시각화됨) dI/dV (1V), 어디서 I и V 터널링 전류와 샘플 변위입니다. d - 밀도.

STM* — 주사 터널링 현미경.

dI/dV 샘플 맵을 통해 Ag(111) 기판에 비해 그래핀 상태의 더 높은 국지적 밀도를 확인할 수 있었습니다. 이전 연구에 따르면 Ag(111)의 표면 상태는 계단식 특성을 가지며, dI/dV 그래핀의 스펙트럼(1S), 이는 그래핀 상태의 더 높은 국부적 밀도를 설명합니다. 1V 0.3eV에서.

이미지에 1D 우리는 벌집 격자와 단층 그래핀의 구조를 볼 수 있습니다. 모아레 상부구조*.

상부 구조* - 일정 간격으로 반복되어 교대 주기가 다른 새로운 구조를 생성하는 결정질 화합물 구조의 특징입니다.

물결 무늬* - 두 개의 주기적 메쉬 패턴이 서로 중첩됩니다.

낮은 온도에서는 성장으로 인해 수지상 및 결함이 있는 그래핀 도메인이 형성됩니다. 그래핀과 기본 기판 사이의 약한 상호 작용으로 인해 기본 Ag(111)에 대한 그래핀의 회전 정렬은 고유하지 않습니다.

붕소 증착 후, 주사 터널링 현미경(1E)는 보로펜과 그래핀 도메인의 조합이 존재함을 보여주었습니다. 또한 이미지에서 볼 수 있는 그래핀 내부 영역은 나중에 보로펜이 삽입된 그래핀으로 확인되었습니다(이미지에 표시됨). GR/B). 세 방향으로 향하고 120° 각도로 분리된 선형 요소도 이 영역에서 명확하게 볼 수 있습니다(노란색 화살표).

이미지 #2

사진 2А,뿐만 아니라 1E, 붕소 증착 후 그래핀에 국부적으로 어두운 함몰이 나타나는 것을 확인합니다.

이러한 지형을 더 잘 조사하고 그 기원을 알아내기 위해 동일한 지역에 대한 또 다른 사진을 촬영했지만 지도 |dln을 사용했습니다.I/dz| (2B), 여기서 I - 터널 전류, d 밀도이고, z - 프로브-시료 분리(현미경 바늘과 시료 사이의 간격). 이 기술을 사용하면 공간 해상도가 높은 이미지를 얻을 수 있습니다. 이를 위해 현미경 바늘에 CO 또는 H2를 사용할 수도 있습니다.

Изображение 2S 는 팁이 CO로 코팅된 STM을 사용하여 얻은 이미지입니다. 이미지 비교 А, В и С 모든 원자 원소는 두 개의 서로 다른 방향(사진의 빨간색과 노란색 삼각형)을 향하는 세 개의 인접한 밝은 육각형으로 정의된다는 것을 보여줍니다.

이 부분의 확대 이미지(2D) 중첩된 구조로 표시되는 것처럼 이러한 요소가 두 개의 그래핀 부격자를 차지하는 붕소 도펀트 불순물과 일치함을 확인합니다.

현미경 바늘의 CO 코팅으로 보로펜 시트의 기하학적 구조를 밝힐 수 있었습니다(2E), CO 코팅 없이 바늘이 표준(금속)인 경우 불가능합니다.

이미지 #3

보로펜과 그래핀 사이의 측면 헤테로계면 형성(3А)은 이미 붕소를 함유한 그래핀 도메인 ​​옆에서 보로펜이 성장할 때 발생해야 합니다.

과학자들은 그래핀-hBN(그래핀 + 질화붕소)을 기반으로 한 측면 이종접합이 격자 일관성을 갖고, 전이 금속 디칼코게나이드를 기반으로 한 이종접합이 대칭 일관성을 갖는다는 점을 상기시킵니다. 그래핀/보로펜의 경우 상황은 약간 다릅니다. 격자 상수나 결정 대칭 측면에서 구조적 유사성이 최소화됩니다. 그러나 그럼에도 불구하고, 측면 그래핀/보로펜 헤테로계면은 붕소 행(B-행) 방향이 그래핀의 지그재그(ZZ) 방향과 정렬되어 거의 완벽한 원자 일관성을 보여줍니다.3А) 에 3V 헤테로계면의 ZZ 영역의 확대 이미지가 표시됩니다(파란색 선은 붕소-탄소 공유 결합에 해당하는 계면 요소를 나타냄).

보로펜은 그래핀에 비해 낮은 온도에서 성장하기 때문에 보로펜과 헤테로계면을 형성할 때 그래핀 도메인의 가장자리는 높은 이동성을 가질 가능성이 없습니다. 따라서 거의 원자적으로 정밀한 이종계면은 다중 위치 붕소 결합의 서로 다른 구성과 특성의 결과일 가능성이 높습니다. 스캐닝 터널링 분광학 스펙트럼(3S) 및 차동 터널 전도도(3D)는 그래핀에서 보로펜으로의 전자 전이가 눈에 보이는 인터페이스 상태 없이 ~5Å의 거리에서 발생한다는 것을 보여줍니다.

이미지에 3E 3D의 XNUMX개의 점선을 따라 촬영한 XNUMX개의 스캐닝 터널링 분광학 스펙트럼이 표시되어 있으며, 이는 이 짧은 전자 전이가 국부 계면 구조에 둔감하고 보로펜-은 인터페이스의 전이와 유사하다는 것을 확인시켜 줍니다.

이미지 #4

그래핀 윤달* 이전에도 널리 연구되었지만 인터칼런트를 실제 2D 시트로 변환하는 경우는 비교적 드뭅니다.

윤달* - 다른 분자 또는 분자 그룹 사이에 분자 또는 분자 그룹이 가역적으로 포함되는 것입니다.

붕소의 작은 원자 반경과 그래핀과 Ag(111) 사이의 약한 상호작용은 그래핀과 붕소의 삽입 가능성을 시사합니다. 이미지에서 4А 붕소 삽입뿐만 아니라 수직 보로펜-그래핀 헤테로구조, 특히 그래핀으로 둘러싸인 삼각형 도메인의 형성에 대한 증거도 제시됩니다. 이 삼각형 영역에서 관찰된 벌집 격자는 그래핀의 존재를 확인시켜 줍니다. 그러나 이 그래핀은 주변 그래핀에 비해 -50 meV에서 더 낮은 국부적 상태 밀도를 나타냅니다.4V). Ag(111) 위의 그래핀과 직접 비교하면 스펙트럼에서 국지적 상태 밀도가 높다는 증거는 없습니다. dI/dV (4C, 파란색 곡선)은 Ag(111) 표면 상태에 해당하며 붕소 삽입의 첫 번째 증거입니다.

또한, 부분 삽입에 대해 예상된 바와 같이, 그래핀 격자는 그래핀과 삼각형 영역 사이의 측면 경계면 전체에 걸쳐 연속적으로 유지됩니다.4D - 직사각형 영역에 해당합니다. 4А, 빨간색 점선으로 표시된 부분). 현미경 바늘에 CO를 이용한 이미지도 붕소 치환 불순물의 존재를 확인했습니다(4E - 직사각형 영역에 해당합니다. 4А, 노란색 점선으로 표시된 부분).

코팅되지 않은 현미경 바늘도 분석 중에 사용되었습니다. 이 경우, 삽입된 그래핀 도메인에서 5Å의 주기성을 갖는 XNUMX차원 선형 요소의 징후가 드러났습니다(4F и 4G). 이러한 XNUMX차원 구조는 보로펜 모델의 붕소 행과 유사합니다. 그래핀에 해당하는 점 집합 외에도 이미지를 푸리에 변환하여 4G 3 Å x 5 Å 직사각형 격자에 해당하는 한 쌍의 직교점을 표시합니다(4Н) 이는 보로펜 모델과 매우 일치합니다. 또한, 선형 요소 배열의 관찰된 삼중 방향(1E)는 보로펜 시트에서 관찰된 동일한 지배적인 구조와 잘 일치합니다.

이러한 모든 관찰은 Ag 가장자리 근처의 보로펜에 의한 그래핀 삽입을 강력하게 시사하며, 이는 결과적으로 수직 보로펜-그래핀 헤테로구조의 형성으로 이어지며, 이는 그래핀의 초기 적용 범위를 증가시킴으로써 유리하게 실현될 수 있습니다.

4I 는 수직 이종 구조의 개략도입니다. 4H, 여기서 붕소 행의 방향(분홍색 화살표)은 그래핀의 지그재그 방향(검은색 화살표)과 밀접하게 정렬되어 회전 비례 수직 헤테로구조를 형성합니다.

연구의 뉘앙스에 대한 자세한 내용은 다음을 참조하는 것이 좋습니다. 과학자 보고서 и 추가 자료 그에게.

커튼콜

이 연구는 보로펜이 그래핀과 함께 측면 및 수직 헤테로구조를 형성할 수 있다는 것을 보여주었습니다. 이러한 시스템은 나노기술, 유연하고 착용 가능한 전자 장치, 새로운 유형의 반도체에 사용되는 새로운 유형의 XNUMX차원 요소 개발에 사용될 수 있습니다.

연구원들은 자신들의 개발이 전자 관련 기술의 강력한 추진력이 될 수 있다고 믿습니다. 그러나 그들의 말이 예언적일 것이라고 확신하기는 여전히 어렵습니다. 현재 과학자들의 마음을 채우는 공상 과학 아이디어가 본격적인 현실이 되려면 연구하고 이해하고 발명해야 할 것이 여전히 많습니다.

읽어주셔서 감사합니다. 호기심을 갖고 즐거운 한 주 보내세요. 🙂

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출처 : habr.com