„Mutacija yra raktas į evoliucijos paslaptį. Vystymosi kelias nuo paprasčiausio organizmo iki dominuojančios biologinės rūšies trunka tūkstančius metų. Tačiau kas šimtą tūkstančių metų evoliucija įvyksta staigus šuolis į priekį“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Jei atmestume visus mokslinės fantastikos elementus, esančius komiksuose ir filmuose, tai profesoriaus X žodžiai yra visiškai teisingi. Kažko kūrimas dažniausiai vyksta tolygiai, tačiau kartais būna šuolių, turinčių didžiulę įtaką visam procesui. Tai galioja ne tik rūšių evoliucijai, bet ir technologijų evoliucijai, kurios pagrindinis variklis yra žmonės, jų tyrimai ir išradimai. Šiandien susipažinsime su tyrimu, kuris, anot jo autorių, yra tikras nanotechnologijų evoliucinis šuolis. Kaip mokslininkams iš Šiaurės vakarų universiteto (JAV) pavyko sukurti naują dvimatę heterostruktūrą, kodėl pagrindu buvo pasirinktas grafenas ir borofenas ir kokias savybes gali turėti tokia sistema? Apie tai mums papasakos tyrimo grupės ataskaita. Eik.
Tyrimo pagrindas
Daug kartų girdėjome terminą „grafenas“; tai dvimatė anglies modifikacija, susidedanti iš 1 atomo storio anglies atomų sluoksnio. Tačiau "borofenas" yra labai retas. Šis terminas reiškia dvimatį kristalą, susidedantį tik iš boro (B) atomų. Borofeno egzistavimo galimybė pirmą kartą buvo prognozuota dar 90-ųjų viduryje, tačiau praktiškai ši struktūra buvo gauta tik 2015 m.
Borofeno atominė struktūra susideda iš trikampių ir šešiakampių elementų ir yra dviejų centrų ir kelių centrų plokštuminių ryšių sąveikos pasekmė, o tai labai būdinga elementams, kuriuose trūksta elektronų, įskaitant borą.
*Dviejų centrų ir daugiacentriais ryšiais turime omenyje cheminius ryšius – atomų sąveikas, apibūdinančias molekulės ar kristalo, kaip vienos struktūros, stabilumą. Pavyzdžiui, dviejų centrų dviejų elektronų ryšys atsiranda, kai 2 atomai dalijasi 2 elektronais, o dviejų centrų trijų elektronų ryšys atsiranda, kai 2 atomai ir 3 elektronai ir t.
Fiziniu požiūriu borofenas gali būti stipresnis ir lankstesnis nei grafenas. Taip pat manoma, kad borofeno struktūros galėtų būti veiksmingas baterijų papildymas, nes borofenas turi didelę specifinę talpą ir unikalias elektroninio laidumo bei jonų pernešimo savybes. Tačiau šiuo metu tai tik teorija.
būdamas trivalentis elementas*, boras turi mažiausiai 10 alotropai*. Dvimatėje formoje, panašiai polimorfizmas* taip pat stebimas.
Trivalentinis elementas* galintis sudaryti tris kovalentinius ryšius, kurių valentingumas yra trys.
Allotropija* - kai vienas cheminis elementas gali būti dviejų ar daugiau paprastų medžiagų pavidalu. Pavyzdžiui, anglis – deimantas, grafenas, grafitas, anglies nanovamzdeliai ir kt.
polimorfizmas* - medžiagos gebėjimas egzistuoti skirtingose kristalinėse struktūrose (polimorfinėse modifikacijose). Paprastų medžiagų atveju šis terminas yra alotropijos sinonimas.
Atsižvelgiant į šį platų polimorfizmą, siūloma, kad borofenas gali būti puikus kandidatas kuriant naujas dvimates heterostruktūras, nes skirtingos boro surišimo konfigūracijos turėtų sušvelninti gardelės atitikimo reikalavimus. Deja, dėl sintezės sunkumų šis klausimas anksčiau buvo tiriamas tik teoriniu lygmeniu.
Įprastoms 2D medžiagoms, gautoms iš masinių sluoksnių kristalų, vertikalios heterostruktūros gali būti realizuojamos naudojant mechaninį krovimą. Kita vertus, dvimatės šoninės heterostruktūros yra pagrįstos sinteze iš apačios į viršų. Atomiškai tikslios šoninės heterostruktūros turi didelį potencialą sprendžiant heterojunkcijos funkcinės valdymo problemas, tačiau dėl kovalentinio ryšio netobulas gardelės suderinimas paprastai sukelia plačias ir netvarkingas sąsajas. Todėl potencialo yra, bet yra ir problemų jį realizuojant.
Šiame darbe mokslininkai sugebėjo integruoti borofeną ir grafeną į vieną dvimatę heterostruktūrą. Nepaisant kristalografinės gardelės neatitikimo ir simetrijos tarp borofeno ir grafeno, nuoseklus anglies ir boro nusodinimas ant Ag(111) substrato esant itin dideliam vakuumui (UHV) sukuria beveik atomiškai tikslias šonines heterosąsajas su numatomu gardelės išlygiavimu, taip pat vertikalias heterosąsajas. .
Pasirengimas moksliniams tyrimams
Prieš tiriant heterostruktūrą, ją reikėjo pagaminti. Grafeno ir borofeno auginimas buvo atliktas itin aukšto vakuumo kameroje su 1x10-10 milibarų slėgiu.
Vienkristalinis Ag(111) substratas buvo išvalytas kartotiniais Ar+ purškimo (1 x 10-5 milibarais, 800 eV, 30 min.) ir terminio atkaitinimo (550 °C, 45 min.) ciklais, kad būtų gautas atomiškai švarus ir plokščias Ag. 111) paviršius.
Grafenas buvo auginamas elektronų pluoštu išgarinant gryną (99,997%) 2.0 mm skersmens grafito strypą ant Ag (750) substrato, įkaitinto iki 111 °C, esant ~ 1.6 A šildymo srovei ir ~ 2 kV greitinimui. , kuri suteikia emisijos srovę ~ 70 mA ir anglies srautą ~ 40 nA. Slėgis kameroje buvo 1 x 10-9 milibarai.
Borofenas buvo auginamas elektronų pluoštu išgarinant gryną (99,9999, 400%) boro strypą ant submonosluoksnio grafeno ant Ag (500), pašildyto iki 111–1.5 ° C. Kaitinamojo siūlelio srovė buvo ~ 1.75 A, o greitėjimo įtampa - 34 kV, todėl emisijos srovė yra ~ 10 mA, o boro srautas - ~ 2 nA. Slėgis kameroje borofeno augimo metu buvo maždaug 10 x 10-XNUMX milibarų.
Tyrimo rezultatai
1 vaizdas
Vaizde 1А parodyta STM* išauginto grafeno momentinė nuotrauka, kurioje grafeno domenai geriausiai vizualizuojami naudojant žemėlapį dI/dV (1V), kur I и V yra tuneliavimo srovė ir mėginio poslinkis, ir d - tankis.
STM* — skenuojantis tunelinis mikroskopas.
dI/dV Mėginio žemėlapiai leido mums pamatyti didesnį vietinį grafeno būsenų tankį, palyginti su Ag (111) substratu. Remiantis ankstesniais tyrimais, Ag (111) paviršiaus būsena turi žingsninę charakteristiką, kuri pasislenka į teigiamą energiją dI/dV grafeno spektras (1S), kuris paaiškina didesnį vietinį grafeno būsenų tankį 1V esant 0.3 eV.
Vaizde 1D matome vienasluoksnio grafeno sandarą, kur korio gardelė ir muaro antstatas*.
antstatas* - kristalinio junginio struktūros ypatybė, kuri pasikartoja tam tikru intervalu ir taip sukuria naują struktūrą su skirtingu kaitos periodu.
Moire* - dviejų periodinių tinklelio raštų sudėjimas vienas ant kito.
Esant žemesnei temperatūrai, augimas sukelia dendritinių ir defektinių grafeno domenų susidarymą. Dėl silpnos grafeno ir pagrindinio substrato sąveikos grafeno sukimosi lygiavimas pagrindinio Ag (111) atžvilgiu nėra unikalus.
Po boro nusodinimo, skenuojanti tunelinė mikroskopija (1E) parodė borofeno ir grafeno domenų derinio buvimą. Vaizde taip pat matomos grafeno viduje esančios sritys, kurios vėliau buvo identifikuotos kaip grafenas, įsiterpęs į borofeną (nurodytas paveikslėlyje Gr/B). Šioje srityje taip pat aiškiai matomi linijiniai elementai, orientuoti trimis kryptimis ir atskirti 120° kampu (geltonos rodyklės).
2 vaizdas
Nuotrauka įjungta 2АKaip 1Epatvirtina lokalizuotų tamsių įdubimų atsiradimą grafene po boro nusodinimo.
Siekiant geriau ištirti šiuos darinius ir išsiaiškinti jų kilmę, toje pačioje vietovėje buvo padaryta dar viena nuotrauka, tačiau naudojant žemėlapius |dlnI/dz| (2B), kur I — tunelio srovė, d yra tankis ir z — zondo ir mėginio atskyrimas (tarpas tarp mikroskopo adatos ir mėginio). Šios technikos naudojimas leidžia gauti didelės erdvinės skiriamosios gebos vaizdus. Tam taip pat galite naudoti CO arba H2 ant mikroskopo adatos.
Изображение 2S yra vaizdas, gautas naudojant STM, kurio galas buvo padengtas CO. Vaizdų palyginimas А, В и С parodyta, kad visi atominiai elementai yra apibrėžiami kaip trys gretimi ryškūs šešiakampiai, nukreipti dviem nelygiavertėmis kryptimis (nuotraukose raudoni ir geltoni trikampiai).
Padidinti šios srities vaizdai (2D) patvirtina, kad šie elementai sutampa su boro priemaišomis, užimančiomis dvi grafeno subgardeles, kaip rodo ant viršaus esančios struktūros.
Mikroskopo adatos CO danga leido atskleisti borofeno lakšto geometrinę struktūrą (2E), o tai būtų neįmanoma, jei adata būtų standartinė (metalinė) be CO dangos.
3 vaizdas
Šoninių heterosąsajų tarp borofeno ir grafeno susidarymas (3А) turėtų atsirasti, kai borofenas auga šalia grafeno domenų, kuriuose jau yra boro.
Mokslininkai primena, kad šoninės heterosąsajos grafeno-hBN pagrindu (grafenas + boro nitridas) turi gardelės konsistenciją, o heterosąsajos pereinamųjų metalų dikalkogenidų pagrindu – simetrijos konsistenciją. Grafeno/borofeno atveju situacija kiek kitokia – jie turi minimalų struktūrinį panašumą pagal gardelės konstantas arba kristalų simetriją. Tačiau nepaisant to, šoninė grafeno / borofeno heterosąsaja demonstruoja beveik tobulą atominį nuoseklumą, o boro eilutės (B eilutės) kryptys yra suderintos su grafeno zigzago (ZZ) kryptimis (3А). Įjungta 3V parodytas padidintas heterosąsajos ZZ srities vaizdas (mėlynos linijos rodo sąsajos elementus, atitinkančius boro ir anglies kovalentinius ryšius).
Kadangi borofenas auga žemesnėje temperatūroje, palyginti su grafenu, mažai tikėtina, kad grafeno srities kraštai turės didelį mobilumą formuojant heterosąsają su borofenu. Todėl beveik atomiškai tiksli heterosąsaja greičiausiai atsiranda dėl skirtingų kelių vietų boro jungčių konfigūracijų ir savybių. Skenavimo tunelinės spektroskopijos spektrai (3S) ir diferencinis tunelio laidumas (3D) rodo, kad elektroninis perėjimas iš grafeno į borofeną vyksta ~ 5 Å atstumu be matomų sąsajos būsenų.
Vaizde 3E Rodomi trys skenavimo tuneliavimo spektroskopijos spektrai, paimti išilgai trijų punktyrinių 3D linijų, patvirtinančių, kad šis trumpas elektroninis perėjimas yra nejautrus vietinėms sąsajų struktūroms ir yra panašus į borofeno ir sidabro sąsajas.
4 vaizdas
Grafenas interkalacija* taip pat anksčiau buvo plačiai ištirtas, tačiau interkalantų pavertimas tikrais 2D lapais yra gana retas.
Interkalacija* - grįžtamasis molekulės ar molekulių grupės įtraukimas tarp kitų molekulių ar molekulių grupių.
Mažas boro atominis spindulys ir silpna grafeno ir Ag (111) sąveika rodo galimą grafeno interkalaciją su boru. Vaizde 4А Pateikiami įrodymai ne tik apie boro interkalaciją, bet ir apie vertikalių borofeno-grafeno heterostruktūrų, ypač trikampių domenų, apsuptų grafenu, susidarymą. Šiame trikampiame domene pastebėta korio gardelė patvirtina grafeno buvimą. Tačiau šis grafenas pasižymi mažesniu vietiniu būsenų tankiu -50 meV, palyginti su aplinkiniu grafenu (4V). Palyginti su grafenu tiesiogiai ant Ag(111), nėra įrodymų, kad spektre būtų didelis vietinis būsenų tankis. dI/dV (4C, mėlyna kreivė), atitinkanti Ag (111) paviršiaus būseną, yra pirmasis boro įsiterpimo įrodymas.
Be to, kaip ir tikėtasi dalinio interkalavimo atveju, grafeno gardelė išlieka ištisinė visoje šoninėje sąsajoje tarp grafeno ir trikampio srities (4D - atitinka stačiakampę sritį 4А, apjuosta raudona punktyrine linija). Vaizdas naudojant CO ant mikroskopo adatos taip pat patvirtino boro pakaitinių priemaišų buvimą (4E - atitinka stačiakampę sritį 4А, apjuosta geltona punktyrine linija).
Analizės metu taip pat naudotos mikroskopo adatos be jokios dangos. Šiuo atveju interkaluotose grafeno srityse buvo atskleisti vienmačių linijinių elementų, kurių periodiškumas yra 5 Å, požymiai (4F и 4G). Šios vienmatės struktūros primena boro eilutes borofeno modelyje. Be taškų, atitinkančių grafeną, Furjė vaizdo transformacija į 4G rodoma stačiakampių taškų pora, atitinkanti 3 Å x 5 Å stačiakampę gardelę (4H), kuris puikiai dera su borofeno modeliu. Be to, pastebėta triguba linijinių elementų masyvo orientacija (1E) gerai sutampa su ta pačia vyraujančia struktūra, pastebėta borofeno lakštams.
Visi šie stebėjimai tvirtai rodo grafeno įsiterpimą į borofeną šalia Ag kraštų, todėl susidaro vertikalios borofeno ir grafeno heterostruktūros, kurias galima naudingai įgyvendinti padidinus pradinę grafeno aprėptį.
4I yra schematinis vertikalios heterostruktūros vaizdas 4H, kur boro eilutės kryptis (rožinė rodyklė) yra glaudžiai suderinta su grafeno zigzago kryptimi (juoda rodyklė), taip suformuojant sukimuisi proporcingą vertikalią heterostruktūrą.
Išsamiau susipažinti su tyrimo niuansais rekomenduoju pažiūrėti и jam.
Epilogas
Šis tyrimas parodė, kad borofenas gali sudaryti šonines ir vertikalias heterostruktūras su grafenu. Tokios sistemos gali būti naudojamos kuriant naujų tipų dvimačius elementus, naudojamus nanotechnologijoje, lanksčią ir nešiojamą elektroniką, taip pat naujų tipų puslaidininkius.
Patys mokslininkai mano, kad jų plėtra gali būti galingas su elektronika susijusių technologijų postūmis. Tačiau vis dar sunku tiksliai pasakyti, kad jų žodžiai taps pranašiški. Šiuo metu dar daug ką reikia ištirti, suprasti ir sugalvoti, kad tos mokslinės fantastikos idėjos, kurios užpildo mokslininkų mintis, taptų visaverte realybe.
Ačiū, kad skaitėte, būkite smalsūs ir geros savaitės, vaikinai. 🙂
Dėkojame, kad likote su mumis. Ar jums patinka mūsų straipsniai? Norite pamatyti įdomesnio turinio? Palaikykite mus pateikdami užsakymą ar rekomenduodami draugams, 30% nuolaida Habr vartotojams unikaliam pradinio lygio serverių analogui, kurį mes sugalvojome jums: (galima su RAID1 ir RAID10, iki 24 branduolių ir iki 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 kartus pigiau? Tik čia Olandijoje! „Dell R420“ – 2 x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2 x 960 GB SSD 1 Gbps 100 TB – nuo 99 USD! Skaityti apie
Šaltinis: www.habr.com