ProHoster > Blogs > interneta ziņas > Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide

"Mutācija ir atslēga evolÅ«cijas noslēpuma atŔķetināŔanai. AttÄ«stÄ«bas ceļŔ no vienkārŔākā organisma lÄ«dz dominējoÅ”ajai bioloÄ£iskajai sugai ilgst tÅ«kstoÅ”iem gadu. Taču ik pēc simts tÅ«kstoÅ”iem gadu notiek straujÅ” evolÅ«cijas lēciens uz priekÅ”uā€ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ja mēs atmetam visus zinātniskās fantastikas elementus, kas ir komiksos un filmās, tad profesora X vārdi ir diezgan patiesi. Lielāko daļu laika kaut kā attÄ«stÄ«ba norit vienmērÄ«gi, bet dažreiz notiek lēcieni, kuriem ir milzÄ«ga ietekme uz visu procesu. Tas attiecas ne tikai uz sugu evolÅ«ciju, bet arÄ« uz tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«bu, kuras galvenais virzÄ«tājspēks ir cilvēki, viņu pētÄ«jumi un izgudrojumi. Å odien iepazÄ«simies ar pētÄ«jumu, kas, pēc tā autoru domām, ir Ä«sts evolÅ«cijas lēciens nanotehnoloÄ£ijā. Kā Ziemeļrietumu universitātes (ASV) zinātniekiem izdevās izveidot jaunu divdimensiju heterostruktÅ«ru, kāpēc par pamatu tika izvēlēts grafēns un borofēns un kādas Ä«paŔības varētu bÅ«t Ŕādai sistēmai? Par to mums pastāstÄ«s pētnieku grupas ziņojums. Aiziet.

Pētījuma bāze

Mēs esam daudzkārt dzirdējuÅ”i terminu "grafēns"; tā ir divdimensiju oglekļa modifikācija, kas sastāv no oglekļa atomu slāņa 1 atoma biezumā. Bet ā€œborofēnsā€ ir ārkārtÄ«gi reti sastopams. Å is termins attiecas uz divdimensiju kristālu, kas sastāv tikai no bora (B) atomiem. Pirmo reizi borofēna pastāvÄ“Å”anas iespēja tika prognozēta tālajā 90. gadu vidÅ«, taču praksē Ŕī struktÅ«ra tika iegÅ«ta tikai lÄ«dz 2015. gadam.

Borofēna atomu struktÅ«ra sastāv no trÄ«sstÅ«rveida un seÅ”stÅ«ra elementiem, un tā ir divu centru un daudzcentru plaknes saiÅ”u mijiedarbÄ«bas sekas, kas ir ļoti raksturÄ«ga elektronu deficÄ«ta elementiem, kas ietver boru.

*Ar divcentru un daudzcentru saitēm mēs saprotam ķīmiskās saites - atomu mijiedarbību, kas raksturo molekulas vai kristāla kā vienotas struktūras stabilitāti. Piemēram, divu centru divu elektronu saite rodas, ja 2 atomiem ir 2 elektroni, un divu centru trīs elektronu saite rodas, ja 2 atomi un 3 elektroni utt.

No fiziskā viedokļa borofēns var bÅ«t stiprāks un elastÄ«gāks nekā grafēns. Tiek arÄ« uzskatÄ«ts, ka borofēna struktÅ«ras varētu bÅ«t efektÄ«vs bateriju papildinājums, jo borofēnam ir augsta Ä«patnējā jauda un unikālas elektroniskās vadÄ«tspējas un jonu transportÄ“Å”anas Ä«paŔības. Tomēr Å”obrÄ«d tā ir tikai teorija.

Būt trīsvērtīgais elements*, boram ir vismaz 10 allotropi*. Divdimensiju formā, līdzīgi polimorfisms* tiek novērots arī.

Trīsvērtīgais elements* spēj veidot trīs kovalentās saites, kuru valence ir trīs.

Allotropija* - ja viens Ä·Ä«miskais elements var bÅ«t divu vai vairāku vienkārÅ”u vielu veidā. Piemēram, ogleklis - dimants, grafēns, grafÄ«ts, oglekļa nanocaurules utt.

polimorfisms* - vielas spēja pastāvēt dažādās kristāliskajās struktÅ«rās (polimorfās modifikācijas). VienkārÅ”u vielu gadÄ«jumā Å”is termins ir sinonÄ«ms vārdam allotropija.

Ņemot vērā Å”o plaÅ”o polimorfismu, tiek ierosināts, ka borofēns var bÅ«t lielisks kandidāts jaunu divdimensiju heterostruktÅ«ru izveidoÅ”anai, jo dažādām bora savienojuma konfigurācijām vajadzētu mazināt režģa atbilstÄ«bas prasÄ«bas. Diemžēl Å”is jautājums iepriekÅ” tika pētÄ«ts tikai teorētiskā lÄ«menÄ« sintēzes grÅ«tÄ«bu dēļ.

Parastajiem 2D materiāliem, kas iegÅ«ti no lielapjoma slāņveida kristāliem, vertikālas heterostruktÅ«ras var realizēt, izmantojot mehānisku sakrauÅ”anu. No otras puses, divdimensiju sānu heterostruktÅ«ras ir balstÄ«tas uz augÅ”upēju sintēzi. Atomiski precÄ«zām sānu heterostruktÅ«rām ir liels potenciāls heterojunction funkcionālās kontroles problēmu risināŔanā, tomēr kovalentās saites dēļ nepilnÄ«ga režģa saskaņoÅ”ana parasti rada plaÅ”as un nesakārtotas saskarnes. LÄ«dz ar to potenciāls ir, bet ir arÄ« problēmas to realizēt.

Å ajā darbā pētniekiem izdevās integrēt borofēnu un grafēnu vienā divdimensiju heterostruktÅ«rā. Neskatoties uz kristalogrāfisko režģa neatbilstÄ«bu un simetriju starp borofēnu un grafēnu, secÄ«ga oglekļa un bora nogulsnÄ“Å”anās uz Ag(111) substrāta ultra-augstā vakuumā (UHV) rada gandrÄ«z atomiski precÄ«zas sānu heterosaskarnes ar paredzēto režģa izlÄ«dzināŔanu, kā arÄ« vertikālas heterosaskarnes. .

SagatavoÅ”anās pētniecÄ«bai

Pirms heterostruktÅ«ras izpētes tā bija jāizgatavo. Grafēna un borofēna augÅ”ana tika veikta Ä«paÅ”i augsta vakuuma kamerā ar spiedienu 1x10-10 milibāri.

Vienkristāla Ag(111) substrāts tika notÄ«rÄ«ts ar atkārtotiem Ar+ izsmidzināŔanas cikliem (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minÅ«tes) un termiskās atkausÄ“Å”anas (550 Ā°C, 45 minÅ«tes), lai iegÅ«tu atomiski tÄ«ru un plakanu Ag ( 111) virsma.

Grafēns tika audzēts, iztvaicējot elektronu staru no tÄ«ra (99,997%) grafÄ«ta stieņa ar diametru 2.0 mm uz Ag (750) substrāta, kas uzkarsēts lÄ«dz 111 Ā°C ar sildÄ«Å”anas strāvu ~ 1.6 A un paātrinājuma spriegumu ~ 2 kV , kas dod emisijas strāvu ~ 70 mA un oglekļa plÅ«smu ~ 40 nA. Spiediens kamerā bija 1 x 10-9 milibāri.

Borofēns tika audzēts, iztvaicējot tÄ«ra (99,9999%) bora stieņa elektronu staru kÅ«li, uz submonosa slāņa grafēna uz Ag (400), kas uzkarsēts lÄ«dz 500ā€“111 Ā°C. Kvēldiega strāva bija ~ 1.5, 1.75 A un paātrinājuma spriegums bija 34, 10 kV, kas rada emisijas strāvu ~ 2 mA un bora plÅ«smu ~ 10 nA. Spiediens kamerā borofēna augÅ”anas laikā bija aptuveni 10 x XNUMX-XNUMX milibāri.

Pētījuma rezultāti

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide
1. attēls

Uz attēla 1Š parādÄ«ts STM* audzēta grafēna momentuzņēmums, kur grafēna domēnus vislabāk vizualizēt, izmantojot karti dI/dV (1V), Kur I Šø V ir tuneļa strāva un parauga pārvietojums, un d - blÄ«vums.

STM* ā€” skenējoÅ”ais tunelÄ“Å”anas mikroskops.

dI/dV parauga kartes ļāva mums redzēt lielāku grafēna stāvokļu lokālo blÄ«vumu, salÄ«dzinot ar Ag (111) substrātu. Saskaņā ar iepriekŔējiem pētÄ«jumiem Ag (111) virsmas stāvoklim ir pakāpiena raksturlielums, kas novirzÄ«ts uz pozitÄ«vām enerÄ£ijām. dI/dV grafēna spektrs (1S), kas izskaidro lielāku grafēna stāvokļu lokālo blÄ«vumu 1V pie 0.3 eV.

Uz attēla 1D varam redzēt viena slāņa grafēna uzbÅ«vi, kur Ŕūnveida režģis un muarē virsbÅ«ve*.

VirsbÅ«ve* - kristāliska savienojuma struktÅ«ras iezÄ«me, kas atkārtojas noteiktā intervālā un tādējādi rada jaunu struktÅ«ru ar atŔķirÄ«gu pārmaiņu periodu.

Moire* - divu periodisku sietu modeļu superpozīcija viens virs otra.

Zemākā temperatÅ«rā augÅ”ana izraisa dendrÄ«tu un defektÄ«vu grafēna domēnu veidoÅ”anos. Sakarā ar vājo mijiedarbÄ«bu starp grafēnu un pamatā esoÅ”o substrātu, grafēna rotācijas izlÄ«dzināŔana attiecÄ«bā pret pamatā esoÅ”o Ag (111) nav unikāla.

Pēc bora nogulsnÄ“Å”anās, skenējoŔā tunelÄ“Å”anas mikroskopija (1E) parādÄ«ja borofēna un grafēna domēnu kombinācijas klātbÅ«tni. Attēlā ir redzami arÄ« reÄ£ioni grafēna iekÅ”pusē, kas vēlāk tika identificēti kā grafēns, kas interkalēts ar borofēnu (norādÄ«ts attēlā Gr/B). Å ajā zonā ir skaidri redzami arÄ« lineāri elementi, kas orientēti trÄ«s virzienos un atdalÄ«ti ar 120Ā° leņķi (dzeltenas bultiņas).

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide
2. attēls

Fotoattēls ieslēgts 2ŠKā 1E, apstiprina lokalizētu tumÅ”u ieplaku parādÄ«Å”anos grafēnā pēc bora nogulsnÄ“Å”anās.

Lai labāk izpētÄ«tu Å”os veidojumus un noskaidrotu to izcelsmi, tajā paŔā apvidÅ« tika uzņemta vēl viena fotogrāfija, bet izmantojot kartes |dlnI/dz| (2B), kur I ā€” tuneļa strāva, d ir blÄ«vums un z ā€” zondes un parauga atdalÄ«Å”ana (atstarpe starp mikroskopa adatu un paraugu). Å Ä«s tehnikas izmantoÅ”ana ļauj iegÅ«t attēlus ar augstu telpisko izŔķirtspēju. Å im nolÅ«kam uz mikroskopa adatas varat izmantot arÄ« CO vai H2.

Š˜Š·Š¾Š±Ń€Š°Š¶ŠµŠ½ŠøŠµ 2S ir attēls, kas iegÅ«ts, izmantojot STM, kura gals bija pārklāts ar CO. Attēlu salÄ«dzinājums Š, Š’ Šø Š” parāda, ka visi atomu elementi ir definēti kā trÄ«s blakus esoÅ”i spilgti seÅ”stÅ«ri, kas vērsti divos neekvivalentos virzienos (sarkanais un dzeltenais trÄ«sstÅ«ris fotogrāfijās).

Palielināti Ŕī apgabala attēli (2D) apstiprina, ka Å”ie elementi saskan ar bora piemaisÄ«jumiem, kas aizņem divas grafēna apakÅ”režģa, kā liecina uzliktās struktÅ«ras.

Mikroskopa adatas CO pārklājums ļāva atklāt borofēna loksnes ģeometrisko struktūru (2E), kas būtu neiespējami, ja adata būtu standarta (metāla) bez CO pārklājuma.

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide
3. attēls

Sānu heterosaskarņu veidoÅ”anās starp borofēnu un grafēnu (3Š) vajadzētu notikt, kad borofēns aug blakus grafēna domēniem, kas jau satur boru.

Zinātnieki atgādina, ka sānu heterointerfeisiem, kuru pamatā ir grafēns-hBN (grafēns + bora nitrÄ«ds), ir režģa konsistence, bet heterosavienojumiem, kuru pamatā ir pārejas metālu dikalkogenÄ«di, ir simetrijas konsistence. Grafēna/borofēna gadÄ«jumā situācija ir nedaudz atŔķirÄ«ga ā€“ tiem ir minimāla strukturāla lÄ«dzÄ«ba režģa konstantes vai kristāla simetrijas ziņā. Tomēr, neskatoties uz to, sānu grafēna / borofēna heterointerfeiss demonstrē gandrÄ«z ideālu atomu konsistenci, un bora rindas (B rinda) virzieni ir saskaņoti ar grafēna zigzaga (ZZ) virzieniem (3Š). Ieslēgts 3V parādÄ«ts palielināts heterointerfeisa ZZ apgabala attēls (zilas lÄ«nijas norāda saskarnes elementus, kas atbilst bora-oglekļa kovalentajām saitēm).

Tā kā borofēns aug zemākā temperatÅ«rā nekā grafēns, maz ticams, ka grafēna domēna malām bÅ«s liela mobilitāte, veidojot heterosaskarnes ar borofēnu. Tāpēc gandrÄ«z atomiski precÄ«zais heterointerfeiss, iespējams, ir dažādu daudzvietÄ«gu bora saiÅ”u konfigurāciju un Ä«paŔību rezultāts. SkenējoŔās tunelÄ“Å”anas spektroskopijas spektri (3S) un diferenciālā tuneļa vadÄ«tspēja (3D) parāda, ka elektroniskā pāreja no grafēna uz borofēnu notiek ~ 5 ƅ attālumā bez redzamiem saskarnes stāvokļiem.

Uz attēla 3E ParādÄ«ti trÄ«s skenÄ“Å”anas tunelÄ“Å”anas spektroskopijas spektri, kas ņemti pa trim punktētām lÄ«nijām 3D formātā, kas apstiprina, ka Ŕī Ä«sā elektroniskā pāreja ir nejutÄ«ga pret vietējām saskarnes struktÅ«rām un ir salÄ«dzināma ar borofēna un sudraba saskarnēm.

Divdimensiju duets: borofēna-grafēna heterostruktūru izveide
4. attēls

Grafēns interkalācija* ir arÄ« iepriekÅ” plaÅ”i pētÄ«ts, taču starpkalantu pārveidoÅ”ana par Ä«stām 2D loksnēm notiek salÄ«dzinoÅ”i reti.

Interkalācija* - molekulas vai molekulu grupas atgriezeniska iekļauŔana starp citām molekulām vai molekulu grupām.

Mazais bora atomu rādiuss un vājā mijiedarbÄ«ba starp grafēnu un Ag (111) liecina par iespējamu grafēna interkalāciju ar boru. Attēlā 4Š ir sniegti pierādÄ«jumi ne tikai par bora interkalāciju, bet arÄ« par vertikālu borofēna-grafēna heterostruktÅ«ru veidoÅ”anos, Ä«paÅ”i trÄ«sstÅ«rveida domēniem, ko ieskauj grafēns. Å Å«nveida režģis, kas novērots Å”ajā trÄ«sstÅ«rveida domēnā, apstiprina grafēna klātbÅ«tni. Tomēr Å”im grafēnam ir zemāks lokālais stāvokļu blÄ«vums pie -50 meV, salÄ«dzinot ar apkārtējo grafēnu (4V). SalÄ«dzinot ar grafēnu tieÅ”i uz Ag (111), nav pierādÄ«jumu par augstu lokālo stāvokļu blÄ«vumu spektrā. dI/dV (4C, zilā lÄ«kne), kas atbilst Ag (111) virsmas stāvoklim, ir pirmais bora interkalācijas pierādÄ«jums.

Tāpat, kā paredzēts daļējai interkalācijai, grafēna režģis paliek nepārtraukts visā sānu saskarnē starp grafēnu un trÄ«sstÅ«rveida reÄ£ionu (4D - atbilst taisnstÅ«ra laukumam 4Š, kas apvilkts ar sarkanu punktētu lÄ«niju). Attēls, kurā uz mikroskopa adatas tika izmantots CO, arÄ« apstiprināja bora aizvietoÅ”anas piemaisÄ«jumu klātbÅ«tni (4E - atbilst taisnstÅ«ra laukumam 4Š, kas apvilkta ar dzeltenu punktētu lÄ«niju).

AnalÄ«zes laikā tika izmantotas arÄ« mikroskopa adatas bez pārklājuma. Å ajā gadÄ«jumā interkalētajos grafēna domēnos tika atklātas viendimensijas lineāro elementu pazÄ«mes ar periodiskumu 5 ƅ (4F Šø 4G). Å Ä«s viendimensijas struktÅ«ras atgādina bora rindas borofēna modelÄ«. Papildus punktu kopai, kas atbilst grafēnam, Furjē attēls pārveido par 4G parāda ortogonālu punktu pāri, kas atbilst 3 ƅ x 5 ƅ taisnstÅ«ra režģim (4H), kas lieliski saskan ar borofēna modeli. Turklāt novērotā lineāro elementu masÄ«va trÄ«skārŔā orientācija (1E) labi sakrÄ«t ar to paÅ”u dominējoÅ”o struktÅ«ru, kas novērota borofēna loksnēm.

Visi Å”ie novērojumi stingri liecina par grafēna interkalāciju ar borofēnu netālu no Ag malām, kas attiecÄ«gi noved pie vertikālu borofēna-grafēna heterostruktÅ«ru veidoÅ”anās, ko var izdevÄ«gi realizēt, palielinot grafēna sākotnējo pārklājumu.

4I ir shematisks vertikālās heterostruktÅ«ras attēlojums 4H, kur bora rindas virziens (rozā bultiņa) ir cieÅ”i saskaņots ar grafēna zigzaga virzienu (melnā bultiņa), tādējādi veidojot rotācijas proporcionālu vertikālu heterostruktÅ«ru.

Detalizētākai iepazÄ«Å”anai ar pētÄ«juma niansēm iesaku aplÅ«kot ziņo zinātnieki Šø Papildu materiāli viņam.

Epilogs

Šis pētījums parādīja, ka borofēns ir diezgan spējīgs veidot sānu un vertikālas heterostruktūras ar grafēnu. Šādas sistēmas var izmantot jauna veida divdimensiju elementu izstrādē, ko izmanto nanotehnoloģijās, elastīgu un valkājamu elektroniku, kā arī jaunus pusvadītāju tipus.

PaÅ”i pētnieki uzskata, ka to attÄ«stÄ«ba varētu bÅ«t spēcÄ«gs virziens uz priekÅ”u ar elektroniku saistÄ«tajām tehnoloÄ£ijām. Tomēr joprojām ir grÅ«ti droÅ”i teikt, ka viņu vārdi kļūs pravietiski. Å obrÄ«d vēl ir daudz jāpēta, jāsaprot un jāizdomā, lai tās zinātniskās fantastikas idejas, kas piepilda zinātnieku prātus, kļūtu par pilnvērtÄ«gu realitāti.

Paldies, ka lasÄ«jāt, esiet ziņkārÄ«gs un lai jums lieliska nedēļa, puiÅ”i. šŸ™‚

Paldies, ka palikāt kopā ar mums. Vai jums patīk mūsu raksti? Vai vēlaties redzēt interesantāku saturu? Atbalsti mūs, pasūtot vai iesakot draugiem, 30% atlaide Habr lietotājiem unikālam sākuma līmeņa serveru analogam, ko mēs jums izgudrojām: Visa patiesība par VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 kodoli) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps no 20$ vai kā koplietot serveri? (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).

Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai Å”eit 2x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV no 199$ NÄ«derlandē! Dell R420 ā€” 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB ā€” no 99 USD! LasÄ«t par Kā izveidot infrastruktÅ«ras uzņēmumu klase ar Dell R730xd E5-2650 v4 serveru izmantoÅ”anu 9000 eiro par santÄ«mu?

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru