"Mutatioun ass de Schlëssel fir d'Geheimnis vun der Evolutioun z'entdecken. De Wee vun der Entwécklung vum einfachsten Organismus op déi dominant biologesch Spezies dauert Dausende vu Joer. Awer all honnertdausend Joer gëtt et e schaarfe Sprong no vir an der Evolutioun" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Wa mir all d'Science-Fiction Elementer, déi a Comics a Filmer präsent sinn, entloossen, da sinn d'Wierder vum Professer X ganz richteg. D'Entwécklung vun eppes leeft meeschtens gläichméisseg, awer heiansdo ginn et Sprangen, déi e groussen Impakt op de ganze Prozess hunn. Dëst gëllt net nëmmen fir d'Evolutioun vun Arten, mä och fir d'Evolutioun vun Technologie, den Haaptgrond Chauffeur vun deem Leit, hir Fuerschung an Erfindungen. Haut wäerte mir eng Etude kennenzeléieren, déi, laut hiren Auteuren, e richtegen evolutive Sprong an der Nanotechnologie ass. Wéi hunn d'Wëssenschaftler vun der Northwestern University (USA) et fäerdeg bruecht eng nei zweedimensional Heterostruktur ze kreéieren, firwat goufe Graphen a Borophen als Basis gewielt, a wéi eng Eegeschafte kënnen esou e System hunn? De Bericht vun der Fuerschungsgrupp wäert eis doriwwer soen. Gitt.
Basis vun der Etude
Mir hunn de Begrëff "Graphen" vill Mol héieren; et ass eng zweedimensional Modifikatioun vu Kuelestoff, besteet aus enger Schicht vu Kuelestoffatomer 1 Atom déck. Awer "Borofen" ass extrem seelen. Dëse Begrëff bezitt sech op en zweedimensionalen Kristall deen nëmmen aus Bor (B) Atomer besteet. D'Méiglechkeet vun der Existenz vu Borophen gouf fir d'éischt an der Mëtt vun den 90er Joer virausgesot, awer an der Praxis gouf dës Struktur eréischt bis 2015 kritt.
D'Atomstruktur vu Borophen besteet aus dräieckeger an sechseckegen Elementer an ass eng Konsequenz vun der Interaktioun tëscht zwee-Zentrum a Multi-Zentrum an der Fliger Bindungen, déi ganz typesch ass fir Elektronenmangel Elementer, dorënner Bor.
*Mat Zwee-Zentrum- a Multizenterbindunge si mir chemesch Bindungen - Interaktioune vun Atomer, déi d'Stabilitéit vun engem Molekül oder Kristall als eenzeg Struktur charakteriséieren. Zum Beispill geschitt eng Zwee-Zentrum Zwee-Elektronenbindung wann 2 Atomer 2 Elektronen deelen, an eng Zwee-Zentrum Dräi-Elektronebindung geschitt wann 2 Atomer an 3 Elektronen, etc.
Aus enger kierperlecher Siicht kann Borophen méi staark a méi flexibel sinn wéi Graphen. Et gëtt och ugeholl datt Borophenstrukturen en effektiven Ergänzung fir Batterien kéinte sinn, well Borophen héich spezifesch Kapazitéit an eenzegaarteg elektronesch Konduktivitéit an Ionentransporteigenschaften huet. Allerdéngs ass dëst just eng Theorie.
Sinn trivalent Element*, Bor huet op d'mannst 10 allotropen*. An zweedimensional Form, ähnlech polymorphism* gëtt och beobachtet.
Trivalent Element* fäeg dräi kovalente Bindungen ze bilden, d'Valenz vun deenen dräi ass.
Allotropie* - wann ee chemescht Element kann a Form vun zwee oder méi einfache Substanzen presentéiert ginn. Als Beispill, Kuelestoff - Diamant, Graphen, Grafit, Kuelestoff Nanotubes, etc.
Polymorphismus* - d'Fäegkeet vun enger Substanz a verschiddene Kristallstrukturen ze existéieren (polymorphesch Modifikatioune). Am Fall vun einfache Substanzen ass dëse Begrëff synonym mat Allotropie.
Mat dësem breet Polymorphismus gëtt virgeschloen datt Borophen en exzellente Kandidat ka sinn fir nei zweedimensional Heterostrukturen ze kreéieren, well verschidde Borbindungskonfiguratioune sollten d'Gitter passend Ufuerderunge relaxen. Leider war dëst Thema virdru exklusiv op theoreteschen Niveau studéiert wéinst Schwieregkeeten an der Synthese.
Fir konventionell 2D Materialien, déi aus bulkschichte Kristalle kritt ginn, kënne vertikal Heterostrukture mat mechanesche Stacking realiséiert ginn. Op der anerer Säit baséieren zweedimensional lateral Heterostrukture op der Synthese vun ënnen erop. Atomesch präzis lateral Heterostrukturen hunn e grousst Potenzial fir heterojunction funktionell Kontrollproblemer ze léisen, awer wéinst kovalente Bindung, imperfekt Gittermatching resultéiert typesch a breet a gestéiert Schnëttplazen. Dofir gëtt et Potenzial, awer et ginn och Problemer fir se ze realiséieren.
An dëser Aarbecht hunn d'Fuerscher et fäerdeg bruecht Borophen a Graphen an eng zweedimensional Heterostruktur z'integréieren. Trotz der kristallographescher Gitter-Mëssmatch a Symmetrie tëscht Borophen a Grafen, resultéiert sequentiell Oflagerung vu Kuelestoff a Bor op en Ag(111) Substrat ënner ultra-héich Vakuum (UHV) zu bal atomesch präzis lateral Heterointerfaces mat virausgesoten Gitterausrichtungen, souwéi vertikal Heterointerfaces. .
Studiepräparatioun
Ier d'Heterostruktur studéiert gouf, huet et misse fabrizéiert ginn. De Wuesstum vu Graphen a Borophen gouf an enger ultra-héich Vakuumkammer mat engem Drock vun 1x10-10 Millibar duerchgefouert.
Den Eenkristallag (111) Substrat gouf gebotzt duerch widderholl Zyklen vun Ar + Sputtering (1 x 10-5 Millibar, 800 eV, 30 Minutten) an thermesch Glühwäin (550 ° C, 45 Minutten) fir en atomesch propper a flaach Ag ( 111) Fläch..
Graphene gouf duerch Elektronenstrahlverdampung vun enger purer (99,997%) Grafitstabe mat engem Duerchmiesser vun 2.0 mm op en Ag (750) Substrat erhëtzt op 111 °C bei engem Heizstroum vu ~ 1.6 A an enger Beschleunigungsspannung vu ~ 2 kV ugebaut. , wat en Emissiounsstroum vu ~ 70 mA a Kuelestoffflux ~ 40 nA gëtt. Den Drock an der Chamber war 1 x 10-9 Millibar.
Borophene gouf duerch Elektronenstrahlverdampung vun enger purer (99,9999%) Bor Staang op Submonolayer Graphen op Ag (400) erhëtzt op 500-111 °C ugebaut. De Filamentstroum war ~1.5 A an d'Beschleunigungsspannung war 1.75 kV, wat en Emissiounsstroum vu ~34 mA an e Borflux vu ~10 nA gëtt. Den Drock an der Chamber wärend dem Wuesstum vu Borophen war ongeféier 2 x 10-10 Millibar.
Fuerschungsresultater
Bild #1
Am Bild 1A gewisen STM* e Snapshot vu ugebauten Graphen, wou d'Graphen-Domänen am beschten mat enger Kaart visualiséiert ginn dI/dV (1B), wou I и V sinn d'Tunnelstroum a Proufverdrängung, an d - Dicht.
STM* - Scannen Tunnelmikroskop.
dI/dV Kaarte vun der Probe hunn eis erlaabt eng méi héich lokal Dicht vu Graphene-Staaten ze gesinn am Verglach zum Ag(111) Substrat. Am Aklang mat fréiere Studien huet den Uewerflächenzoustand vun Ag (111) e Schrëttcharakteristik, verréckelt op positiv Energien duerch dI/dV Spektrum vu Graphen (1С), wat déi méi héich lokal Dicht vun de Staate vu Graphen erkläert 1B op 0.3v.
Am Bild 1D mir kënnen d'Struktur vun Single-Layer graphene gesinn, wou d'Honeycomb Gitter an moiré superstructure*.
Iwwerbau* - eng Feature vun der Struktur vun enger kristallinescher Verbindung, déi mat engem gewëssen Intervall widderhëlt an domat eng nei Struktur mat enger anerer Alternatiounsperiod erstellt.
Moire* - Iwwerlagerung vun zwee periodesche Mesh-Muster openeen.
Bei méi nidderegen Temperaturen féiert de Wuesstum zu der Bildung vun dendriteschen a defekte Graphen-Domänen. Wéinst schwaache Interaktiounen tëscht Graphen an dem ënnerierdesche Substrat ass d'Rotatiounsausrichtung vu Graphen mat Respekt zum ënnerierdesche Ag (111) net eenzegaarteg.
No der Borablagerung, Scannentunnelmikroskopie (1E) huet d'Präsenz vun enger Kombinatioun vu Borophen a Graphen-Domänen gewisen. Och sichtbar am Bild sinn Regiounen am Graphen, déi spéider als Graphen identifizéiert goufen, interkaléiert mat Borophen (am Bild uginn Gr/B). Linear Elementer, déi an dräi Richtungen orientéiert sinn an duerch e Wénkel vun 120° getrennt sinn, sinn och kloer an dësem Beräich ze gesinn (giel Pfeil).
Bild #2
Foto op 2A, wéi och 1E, bestätegt d'Erscheinung vu lokaliséierten donkelen Depressiounen am Graphen no Borablagerung.
Fir dës Formatiounen besser z'ënnersichen an hir Hierkonft erauszefannen, gouf eng aner Foto vun der selwechter Géigend gemaach, awer mat Kaarten |dlnI/dz| (2B), wou I - Tunnelstroum, d ass d'Dicht, an z - Sonde-Probe Trennung (d'Lück tëscht der Mikroskopnadel an der Probe). D'Benotzung vun dëser Technik mécht et méiglech Biller mat héijer raimlecher Opléisung ze kréien. Dir kënnt och CO oder H2 op der Mikroskopnadel dofir benotzen.
Image Image 2С ass e Bild kritt mat engem STM deem säin Tipp mat CO beschichtet gouf. Verglach vu Biller А, В и С weist datt all atomar Elementer definéiert sinn als dräi ugrenzend hell Hexagonen, déi an zwou net gläichwäerteg Richtungen geriicht sinn (rout a giel Dräieck op de Fotoen).
Vergréissert Biller vun dëser Géigend (2D) bestätegen datt dës Elementer am Accord sinn mat Bor-Dopant-Gëftstoffer, déi zwee Graphen-Sublattices besetzen, wéi déi iwwerlagert Strukturen uginn.
CO Beschichtung vun der Mikroskopnadel huet et méiglech gemaach d'geometresch Struktur vun der Borophenplack z'entdecken (2E), wat onméiglech wier wann d'Nadel Standard (Metall) ouni CO Beschichtung wier.
Bild #3
Bildung vu lateralen Heterointerfaces tëscht Borophen a Grafen (3A) soll geschéien wann Borophen nieft Grafen-Domänen wiisst, déi scho Bor enthalen.
Wëssenschaftler erënneren datt lateral Heterointerfaces baséiert op Grafen-hBN (Graphen + Bornitrid) Gitterkonsistenz hunn, an Heterojunctions baséiert op Iwwergangsmetall-Dicalcogeniden hunn Symmetriekonsistenz. Am Fall vu Graphen / Borophen ass d'Situatioun liicht anescht - si hunn minimal strukturell Ähnlechkeet a punkto Gitterkonstanten oder Kristallsymmetrie. Wéi och ëmmer, trotz dësem, weist de laterale Graphen / Borophen Heterointerface bal perfekt atomar Konsistenz, mat de Bor Reihen (B-Zeil) Richtungen ausgeriicht mat de Zickzack (ZZ) Richtungen vum Graphen (3A). Op 3B e vergréissert Bild vun der ZZ Regioun vun der Heterointerface gëtt gewisen (blo Linnen weisen Interface Elementer entspriechend Bor-Kuelestoff kovalente Bindungen).
Zënter Borophen wächst bei enger méi niddereger Temperatur am Verglach zum Graphen, sinn d'Kante vum Graphen-Domän onwahrscheinlech eng héich Mobilitéit ze hunn wann se en Heterointerface mat Borophen bilden. Dofir ass déi bal atomesch präzis Heterointerface méiglecherweis e Resultat vu verschiddene Konfiguratiounen a Charakteristike vu Multisite Borbindungen. Scannen Tunnel Spektroskopie Spektra (3С) und differentiell Tunnelleitung (3D) weisen datt den elektroneschen Iwwergang vu Graphen op Borophen iwwer eng Distanz vu ~5 Å geschitt ouni sichtbar Interfacezoustand.
Am Bild 3E Gewise ginn dräi Scannen-Tunnel-Spektroskopie-Spektra, déi laanscht déi dräi gestierzt Linnen am 3D geholl goufen, déi bestätegen datt dëse kuerzen elektroneschen Iwwergang onsensibel ass fir lokal Interfacestrukturen a vergläichbar ass mat deem bei Borophen-Sëlwer-Interfaces.
Bild #4
Graphene intercalation* ass och virdru wäit studéiert, awer d'Konversioun vun Interkalanten a richteg 2D Blieder ass relativ seelen.
Interkalatioun* - reversibel Inklusioun vun enger Molekül oder Grupp vu Molekülen tëscht anere Molekülen oder Gruppe vu Molekülen.
De klenge Atomradius vu Bor an déi schwaach Interaktioun tëscht Graphen an Ag(111) suggeréiert eng méiglech Interkalatioun vu Graphen mat Bor. Am Bild 4A Beweiser ginn net nëmme vu Bor-Interkalatioun presentéiert, awer och vun der Bildung vu vertikale Borophen-Graphen-Heterostrukturen, besonnesch dräieckeg Beräicher ëmgi vu Graphen. D'Honeycomb Gitter observéiert op dësem dräieckege Beräich bestätegt d'Präsenz vu Graphen. Wéi och ëmmer, dëst Grafen weist eng méi niddereg lokal Dicht vu Staaten bei -50 meV am Verglach zum Ëmgéigend Grafen (4B). Am Verglach mam Graphen direkt op Ag(111) gëtt et keng Beweiser fir eng héich lokal Dicht vu Staaten am Spektrum dI/dV (4C, blo Curve), entspriechend dem Ag(111) Uewerflächenzoustand, ass den éischte Beweis vun der Borinterkalatioun.
Och, wéi erwaart fir deelweis Interkalatioun, bleift d'Graphengitter kontinuéierlech duerch déi lateral Interface tëscht dem Graphen an der dräieckeger Regioun (4D - entsprécht engem véiereckege Beräich op 4A, a roude Punktelinn ëmkreest). E Bild mat CO op enger Mikroskopnadel huet och d'Präsenz vu Borsubstitutiouns Gëftstoffer bestätegt (4E - entsprécht engem véiereckege Beräich op 4A, an der gieler Punktelinn ëmkreest).
Mikroskopnadelen ouni Beschichtung goufen och während der Analyse benotzt. An dësem Fall goufen Unzeeche vun eendimensionalen linearen Elementer mat enger Periodizitéit vu 5 Å an den interkaléierten Graphen-Domänen opgedeckt (4F и 4G). Dës eendimensional Strukturen ähnelen d'Borreihen am Borophenmodell. Nieft dem Set vu Punkten entsprécht Grafen, transforméiert de Fourier vum Bild an 4G weist e Paar orthogonal Punkten entspriechend engem 3 Å x 5 Å rechteckege Gitter (4H), wat am exzellente Accord mam Borophenmodell ass. Zousätzlech ass déi beobachtet Triple Orientéierung vun der Array vu linearen Elementer (1E) stëmmt gutt mat der selwechter predominanter Struktur déi fir Borophenplacke observéiert gëtt.
All dës Beobachtungen suggeréieren staark d'Interkalatioun vu Graphen duerch Borophen no bei de Kante vum Ag, wat doduerch zu der Bildung vu vertikale Borophen-Graphen Heterostrukturen féiert, déi mat Virdeel realiséiert kënne ginn duerch d'Erhéijung vun der initialer Ofdeckung vu Graphen.
4I ass eng schematesch Duerstellung vun enger vertikaler Heterostruktur op 4H, wou d'Richtung vun der Borrei (rosa Pfeil) enk mat der Zickzack-Richtung vu Grafen (schwaarze Pfeil) ausgeriicht ass, sou datt eng rotatiounsproportional vertikal Heterostruktur geformt gëtt.
Fir e méi detailléierte Verständnis vun den Nuancen vun der Studie, ech recommandéieren e Bléck op и fir hien.
Epilogue
Dës Studie huet gewisen datt Borophen ganz fäeg ass lateral a vertikal Heterostrukture mat Graphen ze bilden. Esou Systemer kënnen an der Entwécklung vun neien Typen vun zweedimensionalen Elementer benotzt ginn, déi an der Nanotechnologie benotzt ginn, flexibel an wearable Elektronik, souwéi nei Zorte vu Hallefleit.
D'Fuerscher selwer gleewen datt hir Entwécklung e mächtege Push no vir fir elektronesch-relatéiert Technologien kéint sinn. Wéi och ëmmer, et ass nach ëmmer schwéier fir sécher ze soen datt hir Wierder prophetesch ginn. Am Moment ass et nach vill ze recherchéieren, ze verstoen an ze erfannen, sou datt déi Science Fiction Iddien, déi de Geescht vun de Wëssenschaftler fëllen, eng vollwäerteg Realitéit ginn.
Merci fir d'Liesen, bleift virwëtzeg an hunn eng super Woch Kärelen. 🙂
Merci datt Dir bei eis bleift. Hutt Dir eis Artikelen gär? Wëllt Dir méi interessant Inhalt gesinn? Ënnerstëtzt eis andeems Dir eng Bestellung maacht oder Frënn empfeelt, 30% Remise fir Habr Benotzer op engem eenzegaartegen Analog vun Entry-Level Serveren, dee vun eis fir Iech erfonnt gouf: (verfügbar mat RAID1 an RAID10, bis zu 24 Kären a bis zu 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 Mol méi bëlleg? Nëmmen hei an Holland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vun $99! Liest iwwer
Source: will.com