«Мутация — эволюциянын сырын ачуунун ачкычы. Эң жөнөкөй организмден үстөмдүк кылуучу биологиялык түргө чейинки өнүгүү жолу миңдеген жылдарга созулат. Бирок ар бир жүз миң жылда эволюцияда алдыга кескин секирик болот" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Эгерде комикстерде жана фильмдерде бар илимий фантастикалык элементтердин баарын жокко чыгарсак, анда профессор Икстин сөздөрү абдан туура болот. Бир нерсенин өнүгүшү көпчүлүк учурда бир калыпта жүрөт, бирок кээде бүт процесске чоң таасирин тийгизген секирүүлөр болот. Бул түрлөрдүн эволюциясына гана эмес, ошондой эле технологиянын эволюциясына да тиешелүү, анын негизги кыймылдаткычы адамдар, алардын изилдөөлөрү жана ойлоп табуулары. Бүгүн биз анын авторлорунун айтымында, нанотехнологиядагы чыныгы эволюциялык секирик болгон изилдөө менен таанышабыз. Түндүк-Батыш университетинин (АКШ) окумуштуулары кантип жаңы эки өлчөмдүү гетероструктураны түзө алышты, эмне үчүн негиз катары графен менен борофен тандалган жана мындай система кандай касиеттерге ээ болушу мүмкүн? Бул тууралуу изилдөө тобунун баяндамасында айтылат. Go.
Изилдөөнүн негизи
Биз "графен" деген терминди көп жолу укканбыз; бул көмүртектин эки өлчөмдүү модификациясы, калыңдыгы 1 атом болгон көмүртек атомдорунун катмарынан турат. Бирок "борофен" өтө сейрек кездешет. Бул термин жалаң бор (B) атомдорунан турган эки өлчөмдүү кристаллга тиешелүү. Борофендин бар болуу мүмкүнчүлүгү биринчи жолу 90-жылдардын ортосунда болжолдонгон, бирок иш жүзүндө бул структура 2015-жылы гана алынган.
Борофендин атомдук түзүлүшү үч бурчтуу жана алты бурчтуу элементтерден турат жана эки борборлуу жана көп борборлуу тегиздик байланыштардын өз ара аракеттенүүсүнүн натыйжасы болуп саналат, бул электрон жетишсиз элементтер үчүн абдан мүнөздүү, анын ичинде бор.
*Эки борборлуу жана көп борборлуу байланыштар деп химиялык байланыштарды – молекуланын же кристаллдын бирдиктүү структура катары туруктуулугун мүнөздөгөн атомдордун өз ара аракеттенүүсүн түшүнөбүз. Мисалы, эки борборлуу эки электрондук байланыш 2 атом 2 электронду бөлгөндө пайда болот, ал эми эки борбордуу үч электрондук байланыш 2 атом жана 3 электрон ж.б.у.с.
Физикалык көз караштан алганда, борофен графенге караганда күчтүүрөөк жана ийкемдүү болушу мүмкүн. Ошондой эле борофен структуралары аккумуляторлор үчүн эффективдүү кошумча боло алат деп ишенишет, анткени борофен жогорку өзгөчө кубаттуулукка жана уникалдуу электрондук өткөргүчтүккө жана ионду ташуу касиетине ээ. Бирок, учурда бул жөн гана теория.
болуу үч валенттүү элемент*, бордо кеминде 10 бар аллотроптар*. Эки өлчөмдүү түрдө, окшош полиморфизм* да байкалат.
Үч валенттүү элемент* валенттүүлүгү үч болгон үч коваленттик байланыш түзүүгө жөндөмдүү.
Аллотропия* - бир химиялык элемент эки же андан көп жөнөкөй заттар түрүндө берилиши мүмкүн болгондо. Мисал катары, көмүртек - алмаз, графен, графит, көмүртек нанотүтүктөрү ж.б.
Полиморфизм* - заттын ар кандай кристаллдык структураларда болуу жөндөмү (полиморфтук модификациялар). Жөнөкөй заттарда бул термин аллотропиянын синоними болуп саналат.
Бул кеңири полиморфизмди эске алуу менен, борофен жаңы эки өлчөмдүү гетероструктураларды түзүү үчүн эң сонун талапкер болушу мүмкүн деп болжолдонууда, анткени бор менен байланыштын ар кандай конфигурациялары торлордун дал келүү талаптарын жеңилдетиши керек. Тилекке каршы, бул маселе мурда синтездеги кыйынчылыктардан улам теориялык деңгээлде гана изилденип келген.
Жапырт катмарлуу кристаллдардан алынган кадимки 2D материалдары үчүн вертикалдык гетероструктураларды механикалык катмарлоо аркылуу ишке ашырууга болот. Башка жагынан алганда, эки өлчөмдүү каптал гетероструктуралар ылдыйдан өйдө синтезге негизделген. Атомдук жактан так каптал гетероструктуралар гетероожундук функциялык башкаруу маселелерин чечүүдө чоң потенциалга ээ, бирок, коваленттик байланыштын кесепетинен, кемчиликсиз торлордун дал келиши адатта кең жана тартипсиз интерфейстерге алып келет. Демек, потенциал бар, бирок аны ишке ашырууда көйгөйлөр да бар.
Бул иште изилдөөчүлөр борофен менен графенди бир эки өлчөмдүү гетероструктурага бириктире алышты. Борофен менен графендин ортосундагы кристаллографиялык торчолордун дал келбестигине жана симметриясына карабастан, көмүртек менен бордун Ag(111) субстратына ультра жогорку вакуумда (UHV) ырааттуу жайгаштыруу болжолдонгон торчолордун тегиздөөлөрү менен дээрлик атомдук так каптал гетероинтерфейстерге алып келет. .
Survey даярдоо
Гетероструктураны изилдөөдөн мурун аны ойлоп табуу керек болчу. Графендин жана борофендин есушу 1x10—10 миллибар басымдагы ультра жогорку вакуумдук камерада жургузулду.
Монокристаллдык Ag(111) субстраты атомдук жактан таза жана жалпак Ag() алуу үчүн Ar+ чачыратуу (1 x 10-5 миллибар, 800 эВ, 30 мүнөт) жана термикалык күйгүзүү (550 °C, 45 мүнөт) аркылуу кайталанган циклдер менен тазаланган. 111) жер үстүндөгү.
Графен диаметри 99,997 мм болгон таза (2.0%) графит таякчасын ~ 750 А ысытуу агымында жана ~ 111 кВ тездетүүчү чыңалууда 1.6 °Cге чейин ысытылган Ag (2) субстратына электрондук нурга буулантуу жолу менен өстүрүлгөн. , бул ~ 70 мА эмиссиялык токту жана көмүртек агымын ~ 40 нА берет. Камерадагы басым 1 х 10-9 миллибар болгон.
Борофен таза (99,9999%) бор таякчасын 400-500 °Cге чейин ысытылган Ag (111) боюнча субмонолярдык графенге электрондук нур менен буулантуу аркылуу өстүрүлгөн. Филаменттин токунун күчү ~1.5 А жана ылдамдаткыч чыңалуу 1.75 кВ болду, бул ~34 мА эмиссиялык токту жана ~10 нА бор агымын берет. Борофендин өсүшү учурунда камерадагы басым болжол менен 2 х 10-10 миллибарды түзгөн.
Изилдөөнүн натыйжалары
Сүрөт №1
Сүрөттө 1A көрсөтүлгөн STM* өстүрүлгөн графендин сүрөтү, мында графен домендери картанын жардамы менен эң жакшы элестелет dI/dV (1В), кайда I и V туннелдик ток жана үлгүнүн жылышуусу болуп саналат, жана d — тыгыздыгы.
STM* — сканерлөөчү туннелдик микроскоп.
dI/dV үлгүнүн карталары Ag (111) субстратына салыштырмалуу графен абалынын жогорку жергиликтүү тыгыздыгын көрүүгө мүмкүндүк берди. Мурунку изилдөөлөргө ылайык, Ag (111) беттик абалы бир кадам мүнөздөмөсүнө ээ болуп, оң энергияга карай жылган. dI/dV графен спектри (1S), бул графендин абалынын жогорку жергиликтүү тыгыздыгын түшүндүрөт 1В 0.3 эВде.
Сүрөттө 1D бир катмарлуу графендин түзүлүшүн көрө алабыз, мында бал торчосу жана муардын үстүнкү структурасы*.
Суперструктура* - кристаллдык бирикменин структурасынын белгилүү бир аралыкта кайталануучу жана ошону менен башка кезектешүү мезгили менен жаңы структураны түзгөн өзгөчөлүгү.
Муар* - бири-биринин үстүнө эки мезгилдүү тор үлгүлөрүнүн суперпозициясы.
Төмөнкү температурада өсүү дендриттик жана бузулган графендик домендердин пайда болушуна алып келет. Графен менен астыңкы субстраттын ортосундагы начар өз ара аракеттенүүдөн улам, графендин негизги Ag(111)ге карата айлануу тегиздөөсү уникалдуу эмес.
Бор чөккөндөн кийин сканерлөөчү туннелдик микроскоп (1E) борофен жана графен домендеринин айкалышынын бар экендигин көрсөттү. Сүрөттө графендин ичиндеги аймактар да көрүнүп турат, алар кийинчерээк борофен менен аралашкан графен катары аныкталган (сүрөттө көрсөтүлгөн) Гр/Б). Бул аймакта үч багытка багытталган жана 120° бурч менен бөлүнгөн сызыктуу элементтер да ачык көрүнүп турат (сары жебелер).
Сүрөт №2
Сүрөт күйүк 2ALike 1E, бор чөктүргөндөн кийин графендеги локализацияланган караңгы депрессиялардын пайда болушун тастыктайт.
Бул түзүлүштөрдү жакшыраак изилдөө жана алардын келип чыгышын билүү үчүн ошол эле аймактан дагы бир сүрөт тартылган, бирок карталар |dlnI/dz| (2B), кайда I - туннель агымы, d тыгыздыгы болуп саналат, жана z — зонд менен үлгүнү бөлүү (микроскоптун ийнеси менен үлгүнүн ортосундагы боштук). Бул ыкманы колдонуу жогорку мейкиндикте сүрөттөрдү алууга мүмкүндүк берет. Бул үчүн микроскоптун ийнесинде CO же H2 колдонсоңуз болот.
сүрөт 2S учу CO менен капталган STM аркылуу алынган сүрөт. Сүрөттөрдү салыштыруу А, В и С бардык атомдук элементтер эки эквиваленттүү эмес багытта (сүрөттөрдөгү кызыл жана сары үч бурчтуктар) багытталган үч чектеш жаркыраган алты бурчтук катары аныкталганын көрсөтөт.
Бул аймактын чоңойтулган сүрөттөрү (2D) бул элементтер капталган структуралар көрсөткөндөй, эки графендин астынкы катмарын ээлеген бор кошулмалары менен макулдашканын ырастаңыз.
Микроскоптун ийнесинин CO каптоосу борофендин геометриялык түзүлүшүн ачууга мүмкүндүк берди (2E), ийне CO каптоосу жок стандарттуу (металл) болгондо мүмкүн эмес болмок.
Сүрөт №3
Борофен менен графендин ортосунда каптал гетероинтерфейстердин пайда болушу (3A) борофен мурунтан эле бор камтыган графендик домендердин жанында өскөндө пайда болушу керек.
Окумуштуулар графен-hBN (графен + бор нитриди) негизиндеги каптал гетероинтерфейстердин торчо консистенциясы, ал эми өткөөл металл дихалкогениддеринин негизиндеги гетероинтерфейстердин симметриялык консистенциясы бар экенин эске салышат. Графен/борофенде абал бир аз башкачараак - алар тор константалары же кристалл симметриясы боюнча минималдуу структуралык окшоштукка ээ. Бирок, буга карабастан, каптал графен/борофен гетероинтерфейси дээрлик кемчиликсиз атомдук ырааттуулукту көрсөтөт, бор сапынын (B-катар) багыттары графендин зигзаг (ZZ) багыттары менен дал келет.3A). Күйүк 3В гетероинтерфейстин ZZ аймагынын чоңойтулган сүрөтү көрсөтүлгөн (көк сызыктар бор-көмүртек коваленттик байланыштарына туура келген фаза аралык элементтерди көрсөтөт).
Борофен графенге салыштырмалуу төмөн температурада өскөндүктөн, борофен менен гетероинтерфейс түзүүдө графен доменинин четтери жогорку мобилдүүлүккө ээ болушу күмөн. Демек, дээрлик атомдук так гетероинтерфейс, сыягы, көп кырдуу бор байланыштарынын ар кандай конфигурацияларынын жана мүнөздөмөлөрүнүн натыйжасы. Скандоочу туннелдик спектроскопиялык спектрлер (3S) жана дифференциалдык туннель өткөргүчтүгү (3D) графенден борофенге электрондук өтүү ~5 Å аралыкта көрүнгөн интерфейстик абалдары жок экенин көрсөтөт.
Сүрөттө 3E 3D форматында үч сызык сызык боюнча алынган үч сканерлөөчү туннелдик спектроскопиялык спектрлер көрсөтүлгөн, алар бул кыска электрондук өтүү жергиликтүү фаза аралык структураларга сезгич эмес жана борофен-күмүш интерфейстериндеги менен салыштырууга болот.
Сүрөт №4
Графен интеркалация* мурда да кеңири изилденген, бирок интеркаланттардын чыныгы 2D барактарга айланышы салыштырмалуу сейрек кездешет.
Интеркалация* - бир молекуланын же молекулалар тобунун башка молекулалардын же молекулалардын топторунун ортосуна кайтуучу кошулушу.
Бордун кичинекей атомдук радиусу жана графен менен Ag(111) ортосундагы начар өз ара аракеттенүү графендин бор менен мүмкүн болгон интеркалациясын сунуштайт. Сүрөттө 4A бордун интеркалациясынын гана эмес, ошондой эле вертикалдык борофен-графендик гетероструктуралардын, өзгөчө графен менен курчалган үч бурчтуу домендердин пайда болушунун далили келтирилген. Бул үч бурчтуу доменде байкалган бал торчосу графендин бар экенин тастыктайт. Бирок, бул графен курчап турган графенге салыштырмалуу -50 меВ абалынын төмөн жергиликтүү тыгыздыгын көрсөтөт (4В). Ag(111) боюнча түздөн-түз графенге салыштырмалуу, спектрде штаттардын жогорку жергиликтүү тыгыздыгынын эч кандай далили жок. dI/dV (4C, көк ийри сызык), Ag(111) беттик абалына туура келген, бордун интеркалациясынын биринчи далили болуп саналат.
Ошондой эле, жарым-жартылай интеркалация үчүн күтүлгөндөй, графен торлору графен менен үч бурчтуу аймактын ортосундагы каптал интерфейсинде үзгүлтүксүз бойдон калууда (4D - боюнча тик бурчтуу аянтка туура келет 4A, кызыл чекиттүү сызык менен тегеректелет). Микроскоптун ийнесинде CO колдонулган сүрөт да бор алмаштыруучу аралашмалардын бар экенин тастыктады (4E - боюнча тик бурчтуу аянтка туура келет 4A, сары чекиттүү сызык менен тегеректелет).
Анализ учурунда эч кандай капталышы жок микроскоп ийнелери да колдонулган. Бул учурда интеркалацияланган графендик домендерде мезгилдүүлүгү 5 Å болгон бир өлчөмдүү сызыктуу элементтердин белгилери аныкталган (4F и 4G). Бул бир өлчөмдүү түзүлүштөр борофен моделиндеги бор катарларына окшош. Графенге туура келген чекиттердин жыйындысынан тышкары, сүрөттүн Фурье түрүнө айланат 4G 3 Å x 5 Å тик бурчтуу торго туура келген ортогоналдык жуптарды көрсөтөт (4N), бул борофен модели менен эң сонун шайкеш келет. Мындан тышкары, сызыктуу элементтер массивинин үч багыты байкалган (1E) борофен барактары үчүн байкалган ошол эле басымдуу структура менен жакшы макул.
Бардык бул байкоолор Ag четтерине жакын жерде борофен менен графендин интеркалацияланышын катуу сунуштайт, натыйжада вертикалдуу борофен-графен гетероструктураларынын пайда болушуна алып келет, бул графендин баштапкы камтылышын көбөйтүү менен пайдалуу ишке ашырылышы мүмкүн.
4I боюнча вертикалдык гетероструктуранын схемалык көрүнүшү болуп саналат 4H, мында бор катарынын багыты (кызгылт жебе) графендин зигзаг багыты менен тыгыз дал келет (кара жебе), ошентип, айлануу пропорционалдуу вертикалдык гетероструктураны түзөт.
Изилдөөнүн нюанстары менен кененирээк таанышуу үчүн мен карап көрүүнү сунуштайм и ага.
эпилогунда
Бул изилдөө борофендин графен менен каптал жана вертикалдуу гетероструктураларды түзүүгө жөндөмдүү экенин көрсөттү. Мындай системалар нанотехнологияда, ийкемдүү жана кийилүүчү электроникада, ошондой эле жарым өткөргүчтөрдүн жаңы түрлөрүндө колдонулган эки өлчөмдүү элементтердин жаңы түрлөрүн иштеп чыгууда колдонулушу мүмкүн.
Изилдөөчүлөрдүн өздөрү алардын өнүгүүсү электроника менен байланышкан технологиялар үчүн күчтүү түрткү болушу мүмкүн деп эсептешет. Бирок, алардын сөздөрү пайгамбарлыкка айланаарын так айтуу азырынча кыйын. Азыркы учурда илимпоздордун аң-сезимин толтурган фантастикалык идеялар толук кандуу чындыкка айланышы үчүн дагы көп нерсени изилдеп, түшүнүп, ойлоп табуу керек.
Окуганыңыз үчүн рахмат, кызыктуу болуңуз жана жумаңыз жакшы өтсүн. 🙂
Биз менен болгонуңуз үчүн рахмат. Биздин макалалар сизге жагабы? Көбүрөөк кызыктуу мазмунду көргүңүз келеби? Буйрутма берүү же досторуңузга сунуштоо менен бизди колдоңуз, Habr колдонуучулары үчүн биз сиз үчүн ойлоп тапкан баштапкы деңгээлдеги серверлердин уникалдуу аналогуна 30% арзандатуу: (RAID1 жана RAID10 менен жеткиликтүү, 24 өзөккө чейин жана 40 ГБ DDR4 чейин).
Dell R730xd 2 эсе арзанбы? Бул жерде гана Нидерландыда! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 доллардан! Жөнүндө окуу
Source: www.habr.com