“Мутаци бол хувьслын нууцыг тайлах түлхүүр юм. Хамгийн энгийн организмаас зонхилох биологийн зүйл хүртэлх хөгжлийн зам нь хэдэн мянган жил үргэлжилдэг. Гэвч зуун мянган жил тутамд хувьслын огцом үсрэлт байдаг" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Хэрэв бид комикс, кинонд байдаг шинжлэх ухааны зөгнөлт элементүүдийг бүгдийг нь хаях юм бол профессор Х-ийн хэлсэн үг үнэхээр үнэн юм. Аливаа зүйлийг хөгжүүлэх нь ихэнх тохиолдолд жигд явагддаг боловч заримдаа бүх үйл явцад асар их нөлөө үзүүлдэг үсрэлтүүд байдаг. Энэ нь төрөл зүйлийн хувьсалд төдийгүй, гол хөдөлгөгч хүч нь хүмүүс, тэдний судалгаа, шинэ бүтээлүүд болох технологийн хувьсалд ч хамаатай. Өнөөдөр бид түүний зохиогчдын үзэж байгаагаар нанотехнологийн жинхэнэ хувьслын үсрэлт болох нэгэн судалгаатай танилцах болно. Баруун хойд их сургуулийн (АНУ) эрдэмтэд хэрхэн шинэ хоёр хэмжээст гетероструктурыг бий болгож чадсан бэ, яагаад графен, борофенийг үндэс болгон сонгосон бэ, ийм систем ямар шинж чанартай байж болох вэ? Судалгааны бүлгийн тайланд энэ тухай өгүүлнэ. Яв.
Судалгааны үндэс
Бид "графен" гэсэн нэр томъёог олон удаа сонссон бөгөөд энэ нь 1 атомын зузаантай нүүрстөрөгчийн атомын давхаргаас бүрдэх нүүрстөрөгчийн хоёр хэмжээст өөрчлөлт юм. Гэхдээ "борофен" нь маш ховор байдаг. Энэ нэр томъёо нь зөвхөн бор (B) атомуудаас бүрдэх хоёр хэмжээст талстыг хэлдэг. Борофен оршин тогтнох боломжийг 90-ээд оны дундуур анх таамаглаж байсан боловч бодит байдал дээр энэ бүтцийг зөвхөн 2015 он гэхэд олж авсан.
Борофенийн атомын бүтэц нь гурвалжин ба зургаан өнцөгт элементүүдээс бүрддэг бөгөөд хоёр төв ба олон төвтэй хавтгай бондын харилцан үйлчлэлийн үр дагавар бөгөөд энэ нь бор агуулсан электрон дутагдалтай элементүүдийн хувьд маш түгээмэл байдаг.
*Хоёр төвтэй ба олон төвт холбоо гэж бид химийн холбоог хэлнэ - нэг бүтэц болох молекул эсвэл талстуудын тогтвортой байдлыг тодорхойлдог атомуудын харилцан үйлчлэл. Жишээлбэл, 2 атом 2 электрон хуваалцах үед хоёр төвийн хоёр электроны холбоо, 2 атом, 3 электрон гэх мэт хоёр төвийн гурван электрон холбоо үүсдэг.
Физикийн үүднээс авч үзвэл борофен нь графенээс илүү хүчтэй, уян хатан байж болно. Борофен нь өндөр хувийн багтаамжтай, электрон дамжуулалт, ион дамжуулах өвөрмөц шинж чанартай тул борофен бүтэц нь батерейнд үр дүнтэй нэмэлт хэрэгсэл болж чадна гэж үздэг. Гэсэн хэдий ч одоогоор энэ нь зөвхөн онол юм.
Байгаа гурвалсан элемент*, бор нь хамгийн багадаа 10 аллотропууд*. Хоёр хэмжээст хэлбэрээр, ижил төстэй полиморфизм* мөн ажиглагдаж байна.
Гурвалсан элемент* гурван ковалент холбоо үүсгэх чадвартай бөгөөд тэдгээрийн валент нь гурав байна.
Аллотропи* - нэг химийн элементийг хоёр ба түүнээс дээш энгийн бодис хэлбэрээр үзүүлж болох үед. Жишээлбэл, нүүрстөрөгч - алмаз, графен, бал чулуу, нүүрстөрөгчийн нано хоолой гэх мэт.
Полиморфизм* - бодисын янз бүрийн талст бүтцэд байх чадвар (полиморф өөрчлөлт). Энгийн бодисын хувьд энэ нэр томъёо нь аллотропитэй ижил утгатай.
Энэхүү өргөн полиморфизмыг харгалзан борофен нь шинэ хоёр хэмжээст гетероструктурыг бий болгоход маш сайн нэр дэвшигч байж болох юм, учир нь борын холболтын янз бүрийн тохиргоо нь торонд тохирох шаардлагыг сулруулдаг. Харамсалтай нь энэ асуудлыг өмнө нь нийлэгжилтэд хүндрэлтэй байсан тул зөвхөн онолын түвшинд судалж байсан.
Бөөн давхаргатай талстаас гаргаж авсан ердийн 2D материалын хувьд босоо гетероструктурыг механик овоолго ашиглан хийж болно. Нөгөө талаас, хоёр хэмжээст хажуугийн гетероструктурууд нь доороос дээш синтез дээр суурилдаг. Атомын нарийвчлалтай хажуугийн гетероструктурууд нь гетеро холболтын функциональ хяналтын асуудлыг шийдвэрлэхэд асар их боломжуудтай боловч ковалент холболтын улмаас сүлжээний төгс бус таарч нь ихэвчлэн өргөн, эмх замбараагүй интерфэйсийг үүсгэдэг. Тиймээс боломж байгаа ч түүнийгээ хэрэгжүүлэхэд бэрхшээл бий.
Энэхүү ажилд судлаачид борофен ба графеныг нэг хоёр хэмжээст гетероструктурт нэгтгэж чаджээ. Борофен ба графений хооронд талстографийн торны үл нийцэх байдал, тэгш хэмийг үл харгалзан хэт өндөр вакуум (UHV) дор нүүрстөрөгч ба борыг Ag(111) субстрат дээр дараалан хуримтлуулснаар торны гетероинтерфэйсийг урьдчилан таамагласан атомын нарийвчлалтай хажуугийн гетероинтерфэйсүүд үүсдэг. .
Судалгаанд бэлтгэх
Гетероструктурыг судлахын өмнө үүнийг зохиомлоор хийх шаардлагатай байв. Графен болон борофенийн өсөлтийг 1х10-10 миллибар даралттай хэт өндөр вакуум камерт хийсэн.
Нэг талст Ag(111) субстратыг Ar+ цацах (1 x 10-5 миллибар, 800 эВ, 30 минут) болон дулааны аргаар баяжуулах (550 °C, 45 минут) давтан циклээр цэвэрлэж, атомын цэвэр, хавтгай Ag( 111) гадаргуу.
Графеныг 99,997 мм-ийн диаметртэй цэвэр (2.0%) бал чулуун савааг ~ 750 А-ийн халаалтын гүйдэл, ~ 111 кВ хурдатгах хүчдэлээр 1.6 ° C хүртэл халаасан Ag (2) субстрат дээр электрон цацрагт ууршуулах замаар ургуулсан. , энэ нь ~ 70 мА ялгаралтын гүйдэл, нүүрстөрөгчийн урсгал ~ 40 нА өгдөг. Тасалгааны даралт 1 х 10-9 миллибар байв.
Борофенийг 99,9999-400 ° C хүртэл халаасан Ag (500) дээр цэвэр (111%) борын савааг электрон цацрагт ууршуулах замаар ургуулсан. Судасны гүйдэл нь ~1.5 А, хурдасгах хүчдэл нь 1.75 кВ байсан бөгөөд энэ нь ~34 мА ялгаралтын гүйдэл, ~10 нА борын урсгалыг өгдөг. Борофен ургах үед камерын даралт ойролцоогоор 2 х 10-10 миллибар байв.
Судалгааны үр дүн
Зураг №1
Зураг дээр 1A үзүүлсэн STM* графены домайныг газрын зураг ашиглан хамгийн сайн дүрслэн харуулах ургасан графены агшин зуурын зураг dI/dV (1B), хаана I и V нь хонгилын гүйдэл ба дээжийн шилжилт, ба d - нягтрал.
STM* - хонгилын микроскопыг сканнердах.
dI/dV дээжийн газрын зураг нь Ag(111) субстраттай харьцуулахад графены төлөв байдлын орон нутгийн өндөр нягтралыг харах боломжийг бидэнд олгосон. Өмнөх судалгаануудын дагуу Ag (111) гадаргуугийн төлөв нь эерэг энерги рүү шилжсэн алхамын шинж чанартай байдаг. dI/dV графены спектр (1С), энэ нь графены төлөв байдлын орон нутгийн нягтрал өндөр байгааг тайлбарлаж байна 1B 0.3 эВ-д.
Зураг дээр 1D бид нэг давхаргат графены бүтцийг харж болно, хаана зөгийн сархинаг тор болон муарын дээд бүтэц*.
Дээд бүтэц* - тодорхой интервалаар давтагддаг талст нэгдлийн бүтцийн онцлог, улмаар өөр өөр үетэй шинэ бүтцийг бий болгодог.
Муар* - хоёр үе үе торон хэв маягийг бие биенийхээ дээр байрлуулах.
Бага температурт өсөлт нь дендрит ба согогтой графены домайн үүсэхэд хүргэдэг. Графен болон суурь субстрат хоорондын харилцан үйлчлэл сул тул графены үндсэн Ag(111)-тэй харьцуулахад эргэлдэж буй шугам нь өвөрмөц биш юм.
Борын тунадасжилтын дараа сканнерийн хонгилын микроскоп (1E) борофен ба графений домайнуудын хослол байгааг харуулсан. Зураг дээр мөн графен доторх хэсгүүд харагдаж байгаа бөгөөд хожим нь борофентэй графен холилдсон гэж тодорхойлсон (зураг дээр заасан) Гр/Б). Энэ хэсэгт гурван чиглэлд чиглэсэн, 120 ° өнцгөөр тусгаарлагдсан шугаман элементүүд мөн тод харагдаж байна (шар сум).
Зураг №2
Зураг асаалттай 2Aбас 1E, борын хуримтлалын дараа графен дахь орон нутгийн харанхуй хотгорын харагдах байдлыг баталгаажуулна.
Эдгээр тогтоцыг илүү сайн судалж, гарал үүслийг нь олж мэдэхийн тулд ижил газар нутгийг өөр нэг гэрэл зургийг авсан боловч газрын зураг |dlnI/dz| (2Б), хаана I - хонгилын урсгал, d нь нягтрал, ба z — датчик- дээжийг салгах (микроскопын зүү ба дээжийн хоорондох зай). Энэхүү техникийг ашиглах нь орон зайн өндөр нарийвчлалтай зураг авах боломжийг олгодог. Үүний тулд микроскопын зүү дээр CO эсвэл H2 ашиглаж болно.
Зургийн зураг 2С Энэ нь үзүүрийг CO-ээр бүрсэн STM ашиглан авсан зураг юм. Зургийн харьцуулалт А, В и С Бүх атомын элементүүд нь хоёр ижил бус чиглэлд (зураг дээрх улаан, шар гурвалжин) чиглэсэн гурван зэргэлдээх тод зургаан өнцөгт гэж тодорхойлогддог болохыг харуулж байна.
Энэ хэсгийн томруулсан зургууд (2D) эдгээр элементүүд нь хоёр графены дэд сүлжээг эзэлдэг борын нэмэлт хольцтой тохирч байгааг давхарласан бүтэцээр баталгаажуулна.
Микроскопын зүүг CO бүрэх нь борофен хуудасны геометрийн бүтцийг илрүүлэх боломжийг олгосон (2E), хэрэв зүү нь CO-ийн бүрээсгүй стандарт (металл) байсан бол боломжгүй юм.
Зураг №3
Борофен ба графены хооронд хажуугийн гетероинтерфэйс үүсэх (3A) аль хэдийн бор агуулсан графены домайнуудын хажууд борофен ургах үед үүсэх ёстой.
Эрдэмтэд графен-hBN (графен + борын нитрид) дээр суурилсан хажуугийн гетероинтерфэйсүүд нь торны тууштай, шилжилтийн металлын дихалкогенидууд дээр суурилсан гетеро холболтууд нь тэгш хэмийн тууштай байдгийг сануулж байна. Графен/борофенийн хувьд нөхцөл байдал арай өөр байдаг - тэдгээр нь торны тогтмол эсвэл болор тэгш хэмийн хувьд бүтцийн хувьд хамгийн бага төстэй байдаг. Гэсэн хэдий ч хажуугийн графен/борофен гетероинтерфэйс нь бараг төгс атомын тууштай байдлыг харуулж, борын эгнээний (B эгнээ) чиглэлүүд нь графений зигзаг (ZZ) чиглэлтэй нийцдэг.3A). Асаалттай 3B гетероинтерфэйсийн ZZ бүсийн томруулсан зургийг үзүүлэв (цэнхэр шугамууд нь бор-нүүрстөрөгчийн ковалент холбоонд харгалзах интерфэйсийн элементүүдийг заана).
Борофен нь графентай харьцуулахад бага температурт ургадаг тул борофентэй гетероинтерфэйс үүсгэх үед графены хүрээний ирмэгүүд өндөр хөдөлгөөнтэй байх магадлал багатай юм. Тиймээс бараг атомын нарийвчлалтай гетероинтерфэйс нь олон талт борын бондын янз бүрийн тохиргоо, шинж чанараас үүдэлтэй байж магадгүй юм. Сканнердах туннелийн спектроскопийн спектр (3С) ба дифференциал хонгилын дамжуулалт (3D) графенээс борофен рүү электрон шилжилт нь харагдах интерфейсийн төлөвгүйгээр ~5 Å зайд явагддаг болохыг харуулж байна.
Зураг дээр 3E Гурван хэмжээст тасархай шугамын дагуу авсан сканнерын хонгилын спектроскопийн гурван спектрийг харуулсан бөгөөд энэ богино электрон шилжилт нь орон нутгийн интерфэйсийн бүтцэд мэдрэмтгий биш бөгөөд борофен-мөнгөний интерфэйстэй харьцуулах боломжтой гэдгийг баталж байна.
Зураг №4
Графен харилцан яриа* Өмнө нь мөн өргөнөөр судалж байсан боловч интеркалантуудыг жинхэнэ 2D хуудас болгон хувиргах нь харьцангуй ховор байдаг.
Харилцаа холбоо* - бусад молекулууд эсвэл молекулуудын бүлгүүдийн хооронд молекул эсвэл бүлэг молекулыг буцаах боломжтой оруулах.
Борын жижиг атомын радиус ба графен ба Ag(111) хоорондын сул харилцан үйлчлэл нь графен болон бортой харилцан уялдаатай байж болзошгүйг харуулж байна. Зураг дээр 4A Зөвхөн борын харилцан хамаарал төдийгүй босоо борофен-графены гетероструктурууд, ялангуяа графенээр хүрээлэгдсэн гурвалжин домэйнууд үүссэнийг нотолж байна. Энэхүү гурвалжин домэйн дээр ажиглагдсан зөгийн сархинагаас бүрдсэн тор нь графен байгааг баталж байна. Гэсэн хэдий ч, энэ графен нь эргэн тойрон дахь графентай харьцуулахад -50 меВ-т бага орон нутгийн нягтралтай байдаг.4B). Ag(111) дээр шууд графентай харьцуулахад спектрийн мужуудын орон нутгийн өндөр нягтралын нотолгоо байхгүй байна. dI/dV (4C, цэнхэр муруй), Ag(111) гадаргуугийн төлөвт харгалзах нь борын интеркалацийн анхны нотолгоо юм.
Түүнчлэн, хэсэгчилсэн интеркалацын хувьд графен сүлжээ нь графен ба гурвалжин бүсийн хоорондох хажуугийн интерфэйсийн туршид тасралтгүй хэвээр байна (4D - дээрх тэгш өнцөгт талбайтай тохирч байна 4A, улаан тасархай шугамаар дугуйлсан). Микроскопын зүү дээр CO-г ашигласан зураг мөн борыг орлуулах хольц байгааг баталсан (4E - дээрх тэгш өнцөгт талбайтай тохирч байна 4A, шар тасархай шугамаар дугуйлсан).
Шинжилгээний явцад ямар ч бүрхүүлгүй микроскоп зүүг мөн ашигласан. Энэ тохиолдолд графен хоорондын харилцан хамаарал бүхий домайнуудад 5 Å үечлэлтэй нэг хэмжээст шугаман элементүүдийн шинж тэмдэг илэрсэн.4F и 4G). Эдгээр нэг хэмжээст бүтэц нь борофен загвар дахь борын эгнээтэй төстэй. Графенд тохирох цэгүүдийн багцаас гадна Фурье зургийг хувиргадаг 4G 3 Å x 5 Å тэгш өнцөгт торонд тохирох хос ортогональ цэгүүдийг харуулна (4H дугаартай), энэ нь борофенийн загвартай маш сайн тохирдог. Үүнээс гадна шугаман элементүүдийн массивын гурвалсан чиг баримжаа (1E) борофен хуудасны хувьд ажиглагдсан ижил давамгайлсан бүтэцтэй сайн тохирч байна.
Эдгээр бүх ажиглалтууд нь Ag-ийн ирмэгийн ойролцоо борофентэй графеныг хооронд нь холбож байгааг баттай харуулж байгаа бөгөөд энэ нь босоо борофен-графений гетероструктур үүсэхэд хүргэдэг бөгөөд энэ нь графений анхны хамрах хүрээг нэмэгдүүлэх замаар ашигтайгаар хэрэгжих боломжтой юм.
4I дээр босоо гетероструктурын бүдүүвч дүрслэл юм 4H, борын эгнээний чиглэл (ягаан сум) нь графены зигзаг чиглэлтэй (хар сум) нягт уялдаж, эргэлтийн пропорциональ босоо гетероструктурыг үүсгэдэг.
Судалгааны нарийн ширийн зүйлстэй илүү дэлгэрэнгүй танилцахын тулд би үзэхийг зөвлөж байна и түүнд.
Эпилог
Энэхүү судалгаа нь борофен нь графентай хажуугийн болон босоо гетероструктур үүсгэх чадвартай болохыг харуулсан. Ийм системийг нано технологи, уян хатан, элэгддэг электроникийн салбарт ашигладаг хоёр хэмжээст элементийн шинэ төрлүүд, мөн шинэ төрлийн хагас дамжуулагчийг боловсруулахад ашиглаж болно.
Судлаачид өөрсдөө тэдний хөгжил нь электрониктой холбоотой технологиудыг хүчирхэг түлхэц болно гэж үзэж байна. Гэсэн хэдий ч тэдний үгс эш үзүүллэг болно гэдгийг баттай хэлэхэд хэцүү хэвээр байна. Одоогийн байдлаар эрдэмтдийн оюун санааг дүүргэсэн шинжлэх ухааны зөгнөлт санаанууд бүрэн бодитой болохын тулд судлах, ойлгох, зохион бүтээх зүйл их байна.
Уншсанд баярлалаа, сонирхож байгаарай, долоо хоногийг сайхан өнгөрүүлээрэй. 🙂
Бидэнтэй хамт байсанд баярлалаа. Манай нийтлэл танд таалагдаж байна уу? Илүү сонирхолтой контент үзэхийг хүсч байна уу? Захиалга өгөх эсвэл найзууддаа санал болгох замаар биднийг дэмжээрэй, Хабр хэрэглэгчдэд зориулсан 30% хямдралтай, анхан шатны түвшний серверүүдийн өвөрмөц аналогийг бид танд зориулан зохион бүтээжээ. (RAID1 болон RAID10, 24 хүртэлх цөм, 40 ГБ хүртэл DDR4-тэй байх боломжтой).
Dell R730xd 2 дахин хямд байна уу? Зөвхөн энд Нидерландад! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 доллараас! тухай уншина уу
Эх сурвалж: www.habr.com