„Мутацијата е клучот за откривање на мистеријата на еволуцијата. Патот на развој од наједноставниот организам до доминантниот биолошки вид трае илјадници години. Но, на секои сто илјади години има остар скок напред во еволуцијата“ (Чарлс Ксавиер, X-Men, 2000). Ако ги отфрлиме сите научно-фантастични елементи присутни во стриповите и филмовите, тогаш зборовите на професорот Х се сосема вистинити. Развојот на нешто најчесто се одвива рамномерно, но понекогаш има скокови кои имаат огромно влијание врз целиот процес. Ова не се однесува само на еволуцијата на видовите, туку и на еволуцијата на технологијата, чиј главен двигател се луѓето, нивните истражувања и пронајдоци. Денеска ќе се запознаеме со студија која според нејзините автори е вистински еволутивен скок во нанотехнологијата. Како научниците од Универзитетот Нортвестерн (САД) успеаја да создадат нова дводимензионална хетероструктура, зошто графинот и борофенот беа избрани како основа и какви својства може да има таков систем? За ова ќе ни каже извештајот на истражувачката група. Оди.
Истражувачка основа
Многупати сме го слушнале терминот „графен“; тоа е дводимензионална модификација на јаглеродот, кој се состои од слој јаглеродни атоми со дебелина од 1 атом. Но, „борофен“ е исклучително редок. Овој термин се однесува на дводимензионален кристал кој се состои само од атоми на бор (Б). Можноста за постоење на борофен првпат беше предвидена уште во средината на 90-тите, но во пракса оваа структура беше добиена дури до 2015 година.
Атомската структура на борофен се состои од триаголни и шестоаголни елементи и е последица на интеракцијата помеѓу двоцентрични и повеќецентрични врски во рамнина, што е многу типично за елементите со дефицит на електрони, во кои спаѓа и борот.
*Под двоцентрични и мултицентрични врски подразбираме хемиски врски - интеракции на атоми кои ја карактеризираат стабилноста на молекулата или кристалот како една структура. На пример, двоцентрична двоелектронска врска се јавува кога 2 атоми делат 2 електрони, а двоцентрична три-електронска врска се јавува кога 2 атоми и 3 електрони итн.
Од физичка гледна точка, борофенот може да биде посилен и пофлексибилен од графенот. Исто така, се верува дека борфенските структури можат да бидат ефективно дополнување за батериите бидејќи борофенот има висок специфичен капацитет и единствени својства на електронска спроводливост и транспорт на јони. Сепак, во моментов ова е само теорија.
се тривалентен елемент *, бор има најмалку 10 алотропи *. Во дводимензионална форма, слично полиморфизам * исто така се забележува.
Тривалентен елемент* способни да формираат три ковалентни врски, чија валентност е три.
Алотропија * - кога еден хемиски елемент може да се претстави во форма на две или повеќе едноставни материи. Како пример, јаглерод - дијамант, графен, графит, јаглеродни наноцевки итн.
Полиморфизам * - способноста на супстанцијата да постои во различни кристални структури (полиморфни модификации). Во случај на едноставни супстанции, овој термин е синоним за алотропија.
Со оглед на овој широк полиморфизам, се сугерира дека борофенот може да биде одличен кандидат за создавање на нови дводимензионални хетероструктури, бидејќи различните конфигурации на борната врска треба да ги релаксираат барањата за совпаѓање на решетката. За жал, ова прашање беше претходно проучувано исклучиво на теоретско ниво поради тешкотии во синтезата.
За конвенционалните 2D материјали добиени од рефус слоевит кристали, вертикалните хетероструктури може да се реализираат со помош на механичко редење. Од друга страна, дводимензионалните странични хетероструктури се засноваат на синтеза од дното нагоре. Атомски прецизните странични хетероструктури имаат голем потенцијал во решавањето на проблемите со функционална контрола на хетероспојот, меѓутоа, поради ковалентното поврзување, несовршеното совпаѓање на решетки обично резултира со широки и неуредни интерфејси. Затоа има потенцијал, но има и проблеми во реализацијата.
Во оваа работа, истражувачите успеаја да интегрираат борофен и графен во една дводимензионална хетероструктура. И покрај кристалографската неусогласеност и симетријата помеѓу борофен и графен, секвенцијалното таложење на јаглерод и бор на супстрат Ag(111) под ултра-висок вакуум (UHV) резултира со речиси атомски прецизни странични хетероинтерфејси со предвидени вертикални порамнувања на решетка, како и повеќе .
Подготовка на студијата
Пред да се проучува хетероструктурата, таа мораше да се фабрикува. Растот на графен и борофен беше извршен во ултра висока вакуумска комора со притисок од 1x10-10 милибари.
Супстратот со еден кристал Ag(111) беше исчистен со повторени циклуси на распрскување Ar+ (1 x 10-5 милибар, 800 eV, 30 минути) и термичко жарење (550 °C, 45 минути) за да се добие атомски чист и рамен Ag( 111) површина. .
Графенот се одгледува со испарување на електронски сноп на чиста (99,997%) графитна прачка со дијаметар од 2.0 mm на подлога Ag (750) загреана на 111 °C при грејна струја од ~ 1.6 A и забрзувачки напон од ~ 2 kV , што дава емисија на струја од ~ 70 mA и јаглероден флукс ~ 40 nA. Притисокот во комората беше 1 x 10-9 милибари.
Борофенот се одгледувал преку испарување на електронски сноп на чиста (99,9999%) борна прачка на подмонслој графен на Ag (400) загреан на 500-111 °C. Струјата на филаментот беше ~ 1.5 А, а напонот за забрзување беше 1.75 kV, што дава струја на емисија од ~ 34 mA и борски флукс од ~ 10 nA. Притисокот во комората за време на растот на борофенот беше приближно 2 x 10-10 милибари.
Резултати од истражувањето
Слика бр. 1
На сликата 1A прикажано STM* слика од израснат графен, каде графенските домени најдобро се визуелизираат со помош на мапа dI/dV (1V), каде I и V се струјата на тунелирањето и поместувањето на примерокот, и d - густина.
STM* — микроскоп за скенирање на тунели.
dI/dV мапите на примерокот ни овозможија да видиме поголема локална густина на состојби на графен во споредба со супстратот Ag(111). Во согласност со претходните студии, површинската состојба на Ag (111) има чекор карактеристика, поместена кон позитивни енергии со dI/dV спектар на графен (1S), што ја објаснува поголемата локална густина на состојби на графен на 1V на 0.3 eV.
На сликата 1D можеме да ја видиме структурата на еднослоен графен, каде што саќе решетка и надградба на моаре*.
Надградба * - карактеристика на структурата на кристално соединение што се повторува во одреден интервал и на тој начин создава нова структура со различен период на алтернација.
Моаре* — суперпозиција на два периодични мрежни обрасци еден врз друг.
При пониски температури, растот доведува до формирање на дендритски и неисправни графенски домени. Поради слабите интеракции помеѓу графенот и основната подлога, ротационото порамнување на графенот во однос на основниот Ag(111) не е единствено.
По таложење на бор, микроскопија за скенирање тунел (1E) покажа присуство на комбинација на борофен и графен домени. Исто така, видливи на сликата се региони во внатрешноста на графенот, кои подоцна беа идентификувани како графен интеркалирани со борофен (означено на сликата Гр/Б). Линеарни елементи ориентирани во три насоки и разделени со агол од 120° се исто така јасно видливи во оваа област (жолти стрелки).
Слика бр. 2
Фотографија вклучена 2AКако 1E, ја потврдуваат појавата на локализирани темни вдлабнатини во графен по таложење на бор.
Со цел подобро да се испитаат овие формации и да се дознае нивното потекло, направена е друга фотографија од истата област, но со помош на карти |dlnI/dz| (2Б), каде I — струја на тунелот, d е густината и z — одвојување сонда-примерок (јазот помеѓу иглата на микроскопот и примерокот). Употребата на оваа техника овозможува да се добијат слики со висока просторна резолуција. За ова можете да користите CO или H2 на иглата на микроскопот.
Изображение 2S е слика добиена со помош на STM чиј врв е обложен со CO. Споредба на слики А, В и С покажува дека сите атомски елементи се дефинирани како три соседни светли шестоаголници насочени во две нееквивалентни насоки (црвени и жолти триаголници на фотографиите).
Зголемени слики од оваа област (2D) потврди дека овие елементи се во согласност со нечистотиите од бор допант, зафаќајќи две графенски подрешетки, како што е наведено од надредените структури.
CO облогата на иглата на микроскопот овозможи да се открие геометриската структура на листот борофен (2E), што би било невозможно доколку иглата е стандардна (метална) без облога со CO.
Слика бр. 3
Формирање на странични хетероинтерфејси помеѓу борофен и графен (3A) треба да се појави кога борофенот расте покрај графенските домени кои веќе содржат бор.
Научниците потсетуваат дека страничните хетероинтерфејси базирани на графен-hBN (графен + бор нитрид) имаат конзистентност на решетка, а хетероспојовите базирани на дихалкогениди на преодни метали имаат конзистентност на симетрија. Во случајот со графен/борофен, ситуацијата е малку поинаква - тие имаат минимална структурна сличност во однос на константите на решетка или кристална симетрија. Сепак, и покрај ова, латералниот хетероинтерфејс графен/борофен покажува речиси совршена атомска конзистентност, со насоките на боровиот ред (B-ред) усогласени со насоките на цик-цак (ZZ) на графенот (3A). На 3V е прикажана зголемена слика на регионот ZZ на хетероинтерфејсот (сините линии означуваат меѓуфабрични елементи што одговараат на бор-јаглеродни ковалентни врски).
Бидејќи борофенот расте на пониска температура во споредба со графенот, рабовите на доменот на графен веројатно нема да имаат висока подвижност при формирање на хетероинтерфејс со борофен. Затоа, речиси атомски прецизната хетеро-интерфејс е веројатно резултат на различни конфигурации и карактеристики на повеќелокалните борни врски. Спектри на спектроскопија за скенирање тунелирање (3S) и диференцијална тунелна спроводливост (3D) покажуваат дека електронската транзиција од графен на борофен се случува на растојание од ~5 Å без видливи состојби на интерфејсот.
На сликата 3E Прикажани се три спектроскопски спектроскопски спектра за скенирање тунелирање, земени по трите испрекинати линии во 3D, кои потврдуваат дека оваа кратка електронска транзиција е нечувствителна на локалните меѓусебни структури и е споредлива со онаа кај интерфејсите борофен-сребро.
Слика бр. 4
Графен интеркалација* Исто така, претходно беше широко проучуван, но конверзијата на интеркаланти во вистински 2D листови е релативно ретка.
Интеркалација* - реверзибилно вклучување на молекула или група на молекули помеѓу други молекули или групи на молекули.
Малиот атомски радиус на бор и слабата интеракција помеѓу графен и Ag(111) укажуваат на можна интеркалација на графен со бор. На сликата 4A се презентирани докази не само за интеркалација на бор, туку и за формирање на вертикални хетероструктури на борофен-графен, особено триаголни домени опкружени со графен. Решетката од саќе забележана на овој триаголен домен го потврдува присуството на графен. Сепак, овој графен покажува помала локална густина на состојби на -50 meV во споредба со околниот графен (4V). Во споредба со графен директно на Ag(111), нема докази за висока локална густина на состојби во спектарот dI/dV (4C, сина крива), што одговара на површинската состојба на Ag(111), е првиот доказ за интеркалација на бор.
Исто така, како што се очекуваше за делумна интеркалација, графенската решетка останува континуирана низ страничниот интерфејс помеѓу графенот и триаголниот регион (4D - одговара на правоаголна површина на 4A, заокружено со црвена линија со точки). Сликата со употреба на CO на игла за микроскоп, исто така, го потврди присуството на нечистотии за супституција на бор (4E - одговара на правоаголна површина на 4A, заокружено во жолта линија со точки).
При анализата беа користени и игли за микроскоп без никаков слој. Во овој случај, знаци на еднодимензионални линеарни елементи со периодичност од 5 Å беа откриени во интеркалираните графени домени (4F и 4G). Овие еднодимензионални структури личат на борните редови во борофенскиот модел. Покрај множеството точки што одговараат на графен, Фуриевата ја трансформира сликата во 4G прикажува пар ортогонални точки што одговараат на правоаголна решетка 3 Å x 5 Å (4 ч), што е во одлична согласност со борофенскиот модел. Покрај тоа, набљудуваната тројна ориентација на низата линеарни елементи (1E) добро се согласува со истата доминантна структура забележана за борофенските листови.
Сите овие набљудувања силно укажуваат на интеркалирање на графен со борофен во близина на рабовите на Ag, што последователно доведува до формирање на вертикални хетероструктури на борофен-графен, што може поволно да се реализира со зголемување на почетната покриеност на графен.
4I е шематски приказ на вертикална хетероструктура на 4H, каде што правецот на боровиот ред (розова стрелка) е тесно усогласен со цик-цак-правецот на графенот (црна стрелка), со што се формира ротационално пропорционална вертикална хетероструктура.
За подетално запознавање со нијансите на студијата, препорачувам да погледнете и до него.
Епилог
Оваа студија покажа дека борофенот е доста способен да формира странични и вертикални хетероструктури со графен. Ваквите системи може да се користат во развојот на нови типови дводимензионални елементи кои се користат во нанотехнологијата, флексибилна и нослива електроника, како и нови типови на полупроводници.
Самите истражувачи веруваат дека нивниот развој може да биде моќен поттик за технологии поврзани со електрониката. Сепак, сè уште е тешко да се каже со сигурност дека нивните зборови ќе станат пророчки. Во моментов, има уште многу да се истражи, разбере и измисли, така што тие научно-фантастични идеи што ги исполнуваат умовите на научниците ќе станат целосна реалност.
Ви благодариме за читањето, останете љубопитни и имајте одлична недела момци. 🙂
Ви благодариме што останавте со нас. Дали ви се допаѓаат нашите написи? Сакате да видите поинтересна содржина? Поддржете не со нарачка или препорака на пријатели, 30% попуст за корисниците на Habr на уникатен аналог на сервери на почетно ниво, кој го измисливме ние за вас: (достапен со RAID1 и RAID10, до 24 јадра и до 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 пати поевтин? Само овде во Холандија! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - од 99 долари! Прочитајте за
Извор: www.habr.com