“Mutasi adalah kunci untuk membongkar misteri evolusi. Laluan pembangunan daripada organisma yang paling mudah kepada spesies biologi yang dominan berlangsung selama beribu-ribu tahun. Tetapi setiap seratus ribu tahun terdapat lonjakan tajam ke hadapan dalam evolusi" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Jika kita membuang semua elemen fiksyen sains yang terdapat dalam komik dan filem, maka kata-kata Profesor X adalah benar. Perkembangan sesuatu berjalan secara sama rata pada kebanyakan masa, tetapi kadangkala terdapat lompatan yang mempunyai kesan besar pada keseluruhan proses. Ini terpakai bukan sahaja kepada evolusi spesies, tetapi juga kepada evolusi teknologi, pemacu utamanya ialah manusia, penyelidikan dan ciptaan mereka. Hari ini kita akan berkenalan dengan kajian yang, menurut pengarangnya, adalah lompatan evolusi sebenar dalam nanoteknologi. Bagaimanakah saintis dari Northwestern University (AS) berjaya mencipta heterostruktur dua dimensi baharu, mengapa graphene dan borophene dipilih sebagai asas, dan apakah sifat yang mungkin ada pada sistem sedemikian? Laporan kumpulan penyelidik akan memberitahu kami tentang perkara ini. Pergi.
Asas penyelidikan
Kami telah mendengar istilah "graphene" berkali-kali; ia adalah pengubahsuaian dua dimensi karbon, yang terdiri daripada lapisan atom karbon setebal 1 atom. Tetapi "borofen" sangat jarang berlaku. Istilah ini merujuk kepada kristal dua dimensi yang hanya terdiri daripada atom boron (B). Kemungkinan kewujudan borophene mula-mula diramalkan pada pertengahan 90-an, tetapi dalam praktiknya struktur ini hanya diperoleh pada tahun 2015.
Struktur atom borophene terdiri daripada unsur segi tiga dan heksagon dan merupakan akibat daripada interaksi antara ikatan dalam satah dua pusat dan berbilang pusat, yang sangat tipikal untuk unsur kekurangan elektron, termasuk boron.
*Dengan ikatan dua pusat dan berbilang pusat yang kami maksudkan ikatan kimia - interaksi atom yang mencirikan kestabilan molekul atau kristal sebagai satu struktur. Sebagai contoh, ikatan dua elektron dua pusat berlaku apabila 2 atom berkongsi 2 elektron, dan ikatan tiga elektron dua pusat berlaku apabila 2 atom dan 3 elektron, dsb.
Dari sudut fizikal, borophene mungkin lebih kuat dan lebih fleksibel daripada graphene. Ia juga dipercayai bahawa struktur borophene boleh menjadi pelengkap yang berkesan untuk bateri kerana borophene mempunyai kapasiti spesifik yang tinggi dan kekonduksian elektronik yang unik dan sifat pengangkutan ion. Walau bagaimanapun, pada masa ini ini hanya teori.
Sebagai unsur trivalen*, boron mempunyai sekurang-kurangnya 10 alotrop*. Dalam bentuk dua dimensi, serupa polimorfisme* juga diperhatikan.
Unsur trivalen* mampu membentuk tiga ikatan kovalen, valensinya ialah tiga.
Alotropi* - apabila satu unsur kimia boleh dibentangkan dalam bentuk dua atau lebih bahan ringkas. Sebagai contoh, karbon - berlian, graphene, grafit, tiub nano karbon, dll.
Polimorfisme* — keupayaan bahan untuk wujud dalam struktur kristal yang berbeza (pengubahsuaian polimorfik). Dalam kes bahan mudah, istilah ini sinonim dengan alotropi.
Memandangkan polimorfisme yang luas ini, adalah dicadangkan bahawa borophene mungkin merupakan calon yang sangat baik untuk mencipta heterostruktur dua dimensi baharu, kerana konfigurasi ikatan boron yang berbeza harus melonggarkan keperluan padanan kekisi. Malangnya, isu ini sebelum ini dikaji secara eksklusif di peringkat teori kerana kesukaran dalam sintesis.
Untuk bahan 2D konvensional yang diperoleh daripada kristal berlapis pukal, heterostruktur menegak boleh direalisasikan menggunakan tindanan mekanikal. Sebaliknya, heterostruktur sisi dua dimensi adalah berdasarkan sintesis bawah ke atas. Heterostruktur sisi yang tepat secara atom mempunyai potensi besar dalam menyelesaikan masalah kawalan fungsi heterojunction, walau bagaimanapun, disebabkan oleh ikatan kovalen, padanan kekisi yang tidak sempurna biasanya menghasilkan antara muka yang luas dan tidak teratur. Oleh itu, terdapat potensi, tetapi terdapat juga masalah dalam merealisasikannya.
Dalam kerja ini, para penyelidik berjaya mengintegrasikan borophene dan graphene ke dalam satu heterostruktur dua dimensi. Walaupun ketidakpadanan kekisi kristalografi dan simetri antara borophene dan graphene, pemendapan berurutan karbon dan boron pada substrat Ag(111) di bawah vakum ultra-tinggi (UHV) menghasilkan antara muka heterosisi yang hampir tepat secara atom dengan penjajaran kekisi yang diramalkan, serta antara muka hetero menegak .
Penyediaan untuk penyelidikan
Sebelum mengkaji heterostruktur, ia perlu dibuat. Pertumbuhan graphene dan borophene telah dijalankan dalam ruang vakum ultra tinggi dengan tekanan 1x10-10 milibar.
Substrat Ag(111) kristal tunggal telah dibersihkan dengan kitaran berulang Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minit) dan penyepuhlindapan haba (550 °C, 45 minit) untuk mendapatkan Ag yang bersih secara atom dan rata ( 111) permukaan. .
Graphene ditanam dengan penyejatan rasuk elektron batang grafit tulen (99,997%) dengan diameter 2.0 mm pada substrat Ag (750) yang dipanaskan hingga 111 °C pada arus pemanasan ~ 1.6 A dan voltan pecutan ~ 2 kV , yang memberikan arus pelepasan ~ 70 mA dan fluks karbon ~40 nA. Tekanan dalam ruang adalah 1 x 10-9 milibar.
Borofen telah ditanam melalui penyejatan rasuk elektron batang boron tulen (99,9999%) pada grafena submonolayer pada Ag (400) yang dipanaskan hingga 500-111 °C. Arus filamen ialah ~1.5 A dan voltan pecutan ialah 1.75 kV, yang memberikan arus pelepasan ~34 mA dan fluks boron ~10 nA. Tekanan dalam ruang semasa pertumbuhan borophene adalah lebih kurang 2 x 10-10 milibar.
Hasil penyelidikan
Imej #1
Dalam imej 1A ditunjukkan STM* petikan graphene dewasa, di mana domain graphene divisualisasikan dengan terbaik menggunakan peta dI/dV (1V, di mana I и V ialah arus terowong dan anjakan sampel, dan d - ketumpatan.
STM* — mengimbas mikroskop terowong.
dI/dV peta sampel membolehkan kami melihat ketumpatan tempatan yang lebih tinggi bagi keadaan graphene berbanding substrat Ag (111). Selaras dengan kajian lepas, keadaan permukaan Ag (111) mempunyai ciri langkah, beralih ke arah tenaga positif dengan dI/dV spektrum graphene (1S), yang menerangkan kepadatan tempatan yang lebih tinggi bagi keadaan graphene pada 1V pada 0.3 eV.
Dalam imej 1D kita boleh melihat struktur graphene satu lapisan, di mana kekisi sarang lebah dan struktur atas moiré*.
Struktur atas* - ciri struktur sebatian kristal yang berulang pada selang waktu tertentu dan dengan itu mencipta struktur baharu dengan tempoh selang-seli yang berbeza.
Moire* - superposisi dua corak jejaring berkala di atas satu sama lain.
Pada suhu yang lebih rendah, pertumbuhan membawa kepada pembentukan domain dendritik dan graphene yang rosak. Disebabkan oleh interaksi yang lemah antara graphene dan substrat asas, penjajaran putaran graphene berkenaan dengan asas Ag(111) adalah tidak unik.
Selepas pemendapan boron, mengimbas mikroskop terowong (1E) menunjukkan kehadiran gabungan domain borophene dan graphene. Turut kelihatan dalam imej ialah kawasan di dalam graphene, yang kemudiannya dikenal pasti sebagai graphene yang diselingi dengan borophene (ditunjukkan dalam imej Gr/B). Unsur linear yang berorientasikan tiga arah dan dipisahkan dengan sudut 120° juga jelas kelihatan di kawasan ini (anak panah kuning).
Imej #2
Foto dihidupkan 2ASebagai 1E, sahkan kemunculan lekukan gelap setempat dalam graphene selepas pemendapan boron.
Untuk meneliti formasi ini dengan lebih baik dan mengetahui asal usulnya, satu lagi gambar diambil dari kawasan yang sama, tetapi menggunakan peta |dlnI/dz| (2B), di mana I - arus terowong, d ialah ketumpatan, dan z — pemisahan probe-sampel (jurang antara jarum mikroskop dan sampel). Penggunaan teknik ini memungkinkan untuk mendapatkan imej dengan resolusi spatial yang tinggi. Anda juga boleh menggunakan CO atau H2 pada jarum mikroskop untuk ini.
Изображение 2S ialah imej yang diperoleh menggunakan STM yang hujungnya disalut dengan CO. Perbandingan imej А, В и С menunjukkan bahawa semua unsur atom ditakrifkan sebagai tiga heksagon terang bersebelahan yang diarahkan dalam dua arah yang tidak setara (segi tiga merah dan kuning dalam gambar).
Imej kawasan ini diperbesarkan (2D) mengesahkan bahawa unsur-unsur ini adalah selaras dengan kekotoran dopan boron, menduduki dua sublattices graphene, seperti yang ditunjukkan oleh struktur bertindih.
Salutan CO pada jarum mikroskop memungkinkan untuk mendedahkan struktur geometri kepingan borophene (2E), yang mustahil jika jarum adalah standard (logam) tanpa salutan CO.
Imej #3
Pembentukan heterointerfaces sisi antara borophene dan graphene (3A) sepatutnya berlaku apabila borophene tumbuh di sebelah domain graphene yang sudah mengandungi boron.
Para saintis mengingatkan bahawa antara muka hetero sisi berdasarkan graphene-hBN (graphene + boron nitride) mempunyai ketekalan kekisi, dan heterojunctions berdasarkan dichalcogenides logam peralihan mempunyai ketekalan simetri. Dalam kes graphene/borophene, keadaannya sedikit berbeza - ia mempunyai persamaan struktur yang minimum dari segi pemalar kekisi atau simetri kristal. Walau bagaimanapun, walaupun demikian, antara muka hetero graphene/borophene sisi menunjukkan ketekalan atom yang hampir sempurna, dengan arah baris boron (baris B) sejajar dengan arah zigzag (ZZ) graphene (3A) Pada 3V imej yang diperbesarkan bagi rantau ZZ bagi heterointerface ditunjukkan (garisan biru menunjukkan unsur antara muka yang sepadan dengan ikatan kovalen boron-karbon).
Memandangkan borophene tumbuh pada suhu yang lebih rendah berbanding dengan graphene, tepi domain graphene tidak mungkin mempunyai mobiliti yang tinggi apabila membentuk heterointerface dengan borophene. Oleh itu, heterointerface yang hampir tepat secara atom berkemungkinan hasil daripada konfigurasi dan ciri ikatan boron berbilang tapak yang berbeza. Mengimbas spektroskopi terowong (3S) dan kekonduksian terowong pembezaan (3D) menunjukkan bahawa peralihan elektronik dari graphene ke borophene berlaku pada jarak ~5 Å tanpa keadaan antara muka yang boleh dilihat.
Dalam imej 3E Ditunjukkan ialah tiga spektroskopi terowong pengimbasan yang diambil sepanjang tiga garis putus-putus dalam 3D, yang mengesahkan bahawa peralihan elektronik pendek ini tidak sensitif kepada struktur antara muka tempatan dan setanding dengan antara muka borophene-perak.
Imej #4
Graphene interkalasi* sebelum ini juga telah dikaji secara meluas, tetapi penukaran intercalants kepada helaian 2D sebenar agak jarang berlaku.
Interkalasi* - kemasukan boleh balik molekul atau kumpulan molekul antara molekul atau kumpulan molekul lain.
Jejari atom boron yang kecil dan interaksi yang lemah antara graphene dan Ag(111) mencadangkan kemungkinan interkalasi graphene dengan boron. Dalam imej 4A bukti dibentangkan bukan sahaja tentang interkalasi boron, tetapi juga pembentukan heterostruktur borophene-graphene menegak, terutamanya domain segi tiga yang dikelilingi oleh graphene. Kekisi sarang lebah yang diperhatikan pada domain segi tiga ini mengesahkan kehadiran graphene. Walau bagaimanapun, graphene ini mempamerkan kepadatan tempatan yang lebih rendah bagi keadaan pada -50 meV berbanding graphene di sekeliling (4V). Berbanding dengan graphene secara langsung pada Ag(111), tiada bukti ketumpatan tempatan yang tinggi bagi keadaan dalam spektrum dI/dV (4C, lengkung biru), sepadan dengan keadaan permukaan Ag(111), adalah bukti pertama interkalasi boron.
Juga, seperti yang dijangkakan untuk interkalasi separa, kekisi graphene kekal berterusan sepanjang antara muka sisi antara graphene dan kawasan segi tiga (4D - sepadan dengan kawasan segi empat tepat pada 4A, dibulatkan dalam garis putus-putus merah). Imej menggunakan CO pada jarum mikroskop juga mengesahkan kehadiran kekotoran penggantian boron (4E - sepadan dengan kawasan segi empat tepat pada 4A, dibulatkan dalam garis putus-putus kuning).
Jarum mikroskop tanpa sebarang salutan juga digunakan semasa analisis. Dalam kes ini, tanda-tanda unsur linear satu dimensi dengan periodicity 5 Å telah didedahkan dalam domain graphene berselang (4F и 4G). Struktur satu dimensi ini menyerupai baris boron dalam model borophene. Sebagai tambahan kepada set titik yang sepadan dengan graphene, transformasi Fourier imej 4G memaparkan sepasang titik ortogon yang sepadan dengan kekisi segi empat tepat 3 Å x 5 Å (4H), yang sesuai dengan model borophene. Di samping itu, orientasi tiga kali ganda yang diperhatikan bagi tatasusunan elemen linear (1E) bersetuju dengan baik dengan struktur utama yang sama yang diperhatikan untuk kepingan borophene.
Semua pemerhatian ini sangat mencadangkan interkalasi graphene oleh borophene berhampiran tepi Ag, yang seterusnya membawa kepada pembentukan heterostruktur borophene-graphene menegak, yang boleh direalisasikan secara berfaedah dengan meningkatkan liputan awal graphene.
4I ialah perwakilan skematik heterostruktur menegak pada 4H, di mana arah baris boron (anak panah merah jambu) sejajar rapat dengan arah zigzag graphene (anak panah hitam), dengan itu membentuk heterostruktur menegak berkadar putaran.
Untuk kenalan yang lebih terperinci dengan nuansa kajian, saya cadangkan melihat и kepada dia.
Epilog
Kajian ini menunjukkan bahawa borophene cukup mampu membentuk heterostruktur sisi dan menegak dengan graphene. Sistem sedemikian boleh digunakan dalam pembangunan jenis baru elemen dua dimensi yang digunakan dalam nanoteknologi, elektronik fleksibel dan boleh pakai, serta jenis semikonduktor baharu.
Para penyelidik sendiri percaya bahawa pembangunan mereka boleh menjadi dorongan kuat ke hadapan untuk teknologi berkaitan elektronik. Walau bagaimanapun, masih sukar untuk mengatakan dengan pasti bahawa kata-kata mereka akan menjadi kenabian. Pada masa ini, masih banyak yang perlu diteliti, difahami dan dicipta supaya idea-idea fiksyen sains yang mengisi minda saintis menjadi realiti sepenuhnya.
Terima kasih kerana membaca, kekal ingin tahu dan selamat berhujung minggu kawan-kawan. 🙂
Terima kasih kerana tinggal bersama kami. Adakah anda suka artikel kami? Ingin melihat kandungan yang lebih menarik? Sokong kami dengan membuat pesanan atau mengesyorkan kepada rakan, Diskaun 30% untuk pengguna Habr pada analog unik pelayan peringkat permulaan, yang kami cipta untuk anda: (tersedia dengan RAID1 dan RAID10, sehingga 24 teras dan sehingga 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya disini di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - daripada $99! Baca tentang
Sumber: www.habr.com