"Mutācija ir atslēga evolūcijas noslēpuma atšķetināšanai. Attīstības ceļš no vienkāršākā organisma līdz dominējošajai bioloģiskajai sugai ilgst tūkstošiem gadu. Taču ik pēc simts tūkstošiem gadu notiek straujš evolūcijas lēciens uz priekšu” (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 attīstība norit vienmērīgi, bet dažreiz notiek lēcieni, kuriem ir milzīga ietekme uz visu procesu. Tas attiecas ne tikai uz sugu evolūciju, bet arī uz tehnoloģiju attīstību, kuras galvenais virzītājspēks ir cilvēki, viņu pētījumi un izgudrojumi. Šodien iepazīsimies ar pētījumu, kas, pēc tā autoru domām, ir īsts evolūcijas lēciens nanotehnoloģijā. Kā Ziemeļrietumu universitātes (ASV) zinātniekiem izdevās izveidot jaunu divdimensiju heterostruktūru, kāpēc par pamatu tika izvēlēts grafēns un borofēns un kādas īpašības varētu būt šādai sistēmai? Par to mums pastāstīs pētnieku grupas ziņojums. Aiziet.
Pētījuma bāze
Mēs esam daudzkārt dzirdējuši terminu "grafēns"; tā ir divdimensiju oglekļa modifikācija, kas sastāv no oglekļa atomu slāņa 1 atoma biezumā. Bet “borofēns” ir ārkārtīgi reti sastopams. Šis termins attiecas uz divdimensiju kristālu, kas sastāv tikai no bora (B) atomiem. Pirmo reizi borofēna pastāvēšanas iespēja tika prognozēta tālajā 90. gadu vidū, taču praksē šī struktūra tika iegūta tikai līdz 2015. gadam.
Borofēna atomu struktūra sastāv no trīsstūrveida un sešstūra elementiem, un tā ir divu centru un daudzcentru plaknes saišu mijiedarbības sekas, kas ir ļoti raksturīga elektronu deficīta 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 būt stiprāks un elastīgāks nekā grafēns. Tiek arī uzskatīts, ka borofēna struktūras varētu būt efektīvs bateriju papildinājums, jo borofēnam ir augsta īpatnējā jauda un unikālas elektroniskās vadītspējas un jonu transportēšanas īpašības. Tomēr šobrīd 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 ķīmiskais elements var būt divu vai vairāku vienkāršu vielu veidā. Piemēram, ogleklis - dimants, grafēns, grafīts, oglekļa nanocaurules utt.
polimorfisms* - vielas spēja pastāvēt dažādās kristāliskajās struktūrās (polimorfās modifikācijas). Vienkāršu vielu gadījumā šis termins ir sinonīms vārdam allotropija.
Ņemot vērā šo plašo polimorfismu, tiek ierosināts, ka borofēns var būt lielisks kandidāts jaunu divdimensiju heterostruktūru izveidošanai, jo dažādām bora savienojuma konfigurācijām vajadzētu mazināt režģa atbilstības prasības. Diemžēl šis jautājums iepriekš tika pētīts tikai teorētiskā līmenī sintēzes grūtību dēļ.
Parastajiem 2D materiāliem, kas iegūti no lielapjoma slāņveida kristāliem, vertikālas heterostruktūras var realizēt, izmantojot mehānisku sakraušanu. No otras puses, divdimensiju sānu heterostruktūras ir balstītas uz augšupēju sintēzi. Atomiski precīzām sānu heterostruktūrām ir liels potenciāls heterojunction funkcionālās kontroles problēmu risināšanā, tomēr kovalentās saites dēļ nepilnīga režģa saskaņošana parasti rada plašas un nesakārtotas saskarnes. Līdz ar to potenciāls ir, bet ir arī problēmas to realizēt.
Šajā darbā pētniekiem izdevās integrēt borofēnu un grafēnu vienā divdimensiju heterostruktūrā. Neskatoties uz kristalogrāfisko režģa neatbilstību un simetriju starp borofēnu un grafēnu, secīga oglekļa un bora nogulsnēšanās uz Ag(111) substrāta ultra-augstā vakuumā (UHV) rada gandrīz atomiski precīzas sānu heterosaskarnes ar paredzēto režģa izlīdzināšanu, kā arī vertikālas heterosaskarnes. .
Sagatavošanās pētniecībai
Pirms heterostruktūras izpētes tā bija jāizgatavo. Grafēna un borofēna augšana tika veikta īpaši augsta vakuuma kamerā ar spiedienu 1x10-10 milibāri.
Vienkristāla Ag(111) substrāts tika notīrīts ar atkārtotiem Ar+ izsmidzināšanas cikliem (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minūtes) un termiskās atkausēšanas (550 °C, 45 minūtes), lai iegūtu atomiski tīru un plakanu Ag ( 111) virsma.
Grafēns tika audzēts, iztvaicējot elektronu staru no tīra (99,997%) grafīta stieņa ar diametru 2.0 mm uz Ag (750) substrāta, kas uzkarsēts līdz 111 °C ar sildīšanas strāvu ~ 1.6 A un paātrinājuma spriegumu ~ 2 kV , kas dod emisijas strāvu ~ 70 mA un oglekļa plūsmu ~ 40 nA. Spiediens kamerā bija 1 x 10-9 milibāri.
Borofēns tika audzēts, iztvaicējot tīra (99,9999%) bora stieņa elektronu staru kūli, uz submonosa slāņa grafēna uz Ag (400), kas uzkarsēts līdz 500–111 °C. Kvēldiega strāva bija ~ 1.5, 1.75 A un paātrinājuma spriegums bija 34, 10 kV, kas rada emisijas strāvu ~ 2 mA un bora plūsmu ~ 10 nA. Spiediens kamerā borofēna augšanas laikā bija aptuveni 10 x XNUMX-XNUMX milibāri.
Pētījuma rezultāti
1. attēls
Uz attēla 1А parādīts STM* audzēta grafēna momentuzņēmums, kur grafēna domēnus vislabāk vizualizēt, izmantojot karti dI/dV (1V), Kur I и V ir tuneļa strāva un parauga pārvietojums, un d - blīvums.
STM* — skenējošais tunelēšanas mikroskops.
dI/dV parauga kartes ļāva mums redzēt lielāku grafēna stāvokļu lokālo blīvumu, salīdzinot ar Ag (111) substrātu. Saskaņā ar iepriekšējiem pētījumiem Ag (111) virsmas stāvoklim ir pakāpiena raksturlielums, kas novirzīts uz pozitīvām enerģijām. dI/dV grafēna spektrs (1S), kas izskaidro lielāku grafēna stāvokļu lokālo blīvumu 1V pie 0.3 eV.
Uz attēla 1D varam redzēt viena slāņa grafēna uzbūvi, kur šūnveida režģis un muarē virsbūve*.
Virsbūve* - kristāliska savienojuma struktūras iezīme, kas atkārtojas noteiktā intervālā un tādējādi rada jaunu struktūru ar atšķirīgu pārmaiņu periodu.
Moire* - divu periodisku sietu modeļu superpozīcija viens virs otra.
Zemākā temperatūrā augšana izraisa dendrītu un defektīvu grafēna domēnu veidošanos. Sakarā ar vājo mijiedarbību starp grafēnu un pamatā esošo substrātu, grafēna rotācijas izlīdzināšana attiecībā pret pamatā esošo Ag (111) nav unikāla.
Pēc bora nogulsnēšanās, skenējošā tunelēšanas mikroskopija (1E) parādīja borofēna un grafēna domēnu kombinācijas klātbūtni. Attēlā ir redzami arī reģioni grafēna iekšpusē, kas vēlāk tika identificēti kā grafēns, kas interkalēts ar borofēnu (norādīts attēlā Gr/B). Šajā zonā ir skaidri redzami arī lineāri elementi, kas orientēti trīs virzienos un atdalīti ar 120° leņķi (dzeltenas bultiņas).
2. attēls
Fotoattēls ieslēgts 2АKā 1E, apstiprina lokalizētu tumšu ieplaku parādīšanos grafēnā pēc bora nogulsnēšanās.
Lai labāk izpētītu šos veidojumus un noskaidrotu to izcelsmi, tajā pašā apvidū tika uzņemta vēl viena fotogrāfija, bet izmantojot kartes |dlnI/dz| (2B), kur I — tuneļa strāva, d ir blīvums un z — zondes un parauga atdalīšana (atstarpe starp mikroskopa adatu un paraugu). Šīs tehnikas izmantošana ļauj iegūt attēlus ar augstu telpisko izšķirtspēju. Šim nolūkam uz mikroskopa adatas varat izmantot arī CO vai H2.
Изображение 2S ir attēls, kas iegūts, izmantojot STM, kura gals bija pārklāts ar CO. Attēlu salīdzinājums А, В и С parāda, ka visi atomu elementi ir definēti kā trīs blakus esoši spilgti sešstūri, kas vērsti divos neekvivalentos virzienos (sarkanais un dzeltenais trīsstūris fotogrāfijās).
Palielināti šī apgabala attēli (2D) apstiprina, ka šie elementi saskan ar bora piemaisījumiem, kas aizņem divas grafēna apakšrežģa, kā liecina uzliktās struktūras.
Mikroskopa adatas CO pārklājums ļāva atklāt borofēna loksnes ģeometrisko struktūru (2E), kas būtu neiespējami, ja adata būtu standarta (metāla) bez CO pārklājuma.
3. attēls
Sānu heterosaskarņu veidošanās starp borofēnu un grafēnu (3А) vajadzētu notikt, kad borofēns aug blakus grafēna domēniem, kas jau satur boru.
Zinātnieki atgādina, ka sānu heterointerfeisiem, kuru pamatā ir grafēns-hBN (grafēns + bora nitrīds), ir režģa konsistence, bet heterosavienojumiem, kuru pamatā ir pārejas metālu dikalkogenīdi, ir simetrijas konsistence. Grafēna/borofēna gadījumā situācija ir nedaudz atšķirīga – tiem ir minimāla strukturāla līdzība režģa konstantes vai kristāla simetrijas ziņā. Tomēr, neskatoties uz to, sānu grafēna / borofēna heterointerfeiss demonstrē gandrīz ideālu atomu konsistenci, un bora rindas (B rinda) virzieni ir saskaņoti ar grafēna zigzaga (ZZ) virzieniem (3А). Ieslēgts 3V parādīts palielināts heterointerfeisa ZZ apgabala attēls (zilas līnijas norāda saskarnes elementus, kas atbilst bora-oglekļa kovalentajām saitēm).
Tā kā borofēns aug zemākā temperatūrā nekā grafēns, maz ticams, ka grafēna domēna malām būs liela mobilitāte, veidojot heterosaskarnes ar borofēnu. Tāpēc gandrīz atomiski precīzais heterointerfeiss, iespējams, ir dažādu daudzvietīgu bora saišu konfigurāciju un īpašību rezultāts. Skenējošās tunelēšanas spektroskopijas spektri (3S) un diferenciālā tuneļa vadītspēja (3D) parāda, ka elektroniskā pāreja no grafēna uz borofēnu notiek ~ 5 Å attālumā bez redzamiem saskarnes stāvokļiem.
Uz attēla 3E Parādīti trīs skenēšanas tunelēšanas spektroskopijas spektri, kas ņemti pa trim punktētām līnijām 3D formātā, kas apstiprina, ka šī īsā elektroniskā pāreja ir nejutīga pret vietējām saskarnes struktūrām un ir salīdzināma ar borofēna un sudraba saskarnēm.
4. attēls
Grafēns interkalācija* ir arī iepriekš plaši pētīts, taču starpkalantu pārveidošana par īstām 2D loksnēm notiek salīdzinoši reti.
Interkalācija* - molekulas vai molekulu grupas atgriezeniska iekļaušana starp citām molekulām vai molekulu grupām.
Mazais bora atomu rādiuss un vājā mijiedarbība starp grafēnu un Ag (111) liecina par iespējamu grafēna interkalāciju ar boru. Attēlā 4А ir sniegti pierādījumi ne tikai par bora interkalāciju, bet arī par vertikālu borofēna-grafēna heterostruktūru veidošanos, īpaši trīsstūrveida domēniem, ko ieskauj grafēns. Šūnveida režģis, kas novērots šajā trīsstūrveida domēnā, apstiprina grafēna klātbūtni. Tomēr šim grafēnam ir zemāks lokālais stāvokļu blīvums pie -50 meV, salīdzinot ar apkārtējo grafēnu (4V). Salīdzinot ar grafēnu tieši uz Ag (111), nav pierādījumu par augstu lokālo stāvokļu blīvumu spektrā. dI/dV (4C, zilā līkne), kas atbilst Ag (111) virsmas stāvoklim, ir pirmais bora interkalācijas pierādījums.
Tāpat, kā paredzēts daļējai interkalācijai, grafēna režģis paliek nepārtraukts visā sānu saskarnē starp grafēnu un trīsstūrveida reģionu (4D - atbilst taisnstūra laukumam 4А, kas apvilkts ar sarkanu punktētu līniju). Attēls, kurā uz mikroskopa adatas tika izmantots CO, arī apstiprināja bora aizvietošanas piemaisījumu klātbūtni (4E - atbilst taisnstūra laukumam 4А, kas apvilkta ar dzeltenu punktētu līniju).
Analīzes laikā tika izmantotas arī mikroskopa adatas bez pārklājuma. Šajā gadījumā interkalētajos grafēna domēnos tika atklātas viendimensijas lineāro elementu pazīmes ar periodiskumu 5 Å (4F и 4G). Šīs viendimensijas struktūras atgādina bora rindas borofēna modelī. Papildus punktu kopai, kas atbilst grafēnam, Furjē attēls pārveido par 4G parāda ortogonālu punktu pāri, kas atbilst 3 Å x 5 Å taisnstūra režģim (4H), kas lieliski saskan ar borofēna modeli. Turklāt novērotā lineāro elementu masīva trīskāršā orientācija (1E) labi sakrīt ar to pašu dominējošo struktūru, kas novērota borofēna loksnēm.
Visi šie novērojumi stingri liecina par grafēna interkalāciju ar borofēnu netālu no Ag malām, kas attiecīgi noved pie vertikālu borofēna-grafēna heterostruktūru veidošanās, ko var izdevīgi realizēt, palielinot grafēna sākotnējo pārklājumu.
4I ir shematisks vertikālās heterostruktūras attēlojums 4H, kur bora rindas virziens (rozā bultiņa) ir cieši saskaņots ar grafēna zigzaga virzienu (melnā bultiņa), tādējādi veidojot rotācijas proporcionālu vertikālu heterostruktūru.
Detalizētākai iepazīšanai ar pētījuma niansēm iesaku aplūkot и 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.
Paši pētnieki uzskata, ka to attīstība varētu būt spēcīgs virziens uz priekšu ar elektroniku saistītajām tehnoloģijām. Tomēr joprojām ir grūti droši teikt, ka viņu vārdi kļūs pravietiski. Šobrīd vēl ir daudz jāpēta, jāsaprot un jāizdomā, lai tās zinātniskās fantastikas idejas, kas piepilda zinātnieku prātus, kļūtu par pilnvērtīgu realitāti.
Paldies, ka lasījāt, esiet ziņkārīgs un lai jums lieliska nedēļa, puiši. 🙂
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: (pieejams ar RAID1 un RAID10, līdz 24 kodoliem un līdz 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 reizes lētāk? Tikai šeit Nīderlandē! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB — no 99 USD! Lasīt par
Avots: www.habr.com