Ā«Mutatie is de sleutel tot het ontrafelen van het mysterie van evolutie. De ontwikkeling van de eenvoudigste organismen tot de dominante biologische soort duurt millennia. Maar elke paar honderdduizend jaar vindt er een scherpe sprong voorwaarts in de evolutie plaatsĀ» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Als we alle sciencefictionelementen die in strips en films aanwezig zijn, laten varen, zijn de woorden van professor X geheel waar. De ontwikkeling van iets verloopt over het algemeen gelijkmatig, maar soms zijn er sprongen die een enorme invloed op het hele proces hebben. Dit is niet alleen van toepassing op de evolutie van soorten, maar ook op de evolutie van technologie, waarvan mensen en hun onderzoek en uitvindingen de belangrijkste motor zijn. Vandaag gaan we kijken naar een onderzoek dat volgens de auteurs een echte evolutionaire sprong in nanotechnologieĆ«n is. Hoe wetenschappers van de Northwestern University (VS) erin zijn geslaagd een nieuwe twee-dimensionale heterostructuur te creĆ«ren, waarom ze grafeen en borofen als basis hebben gekozen, en welke eigenschappen zo'n systeem kan hebben. Dit zal ons worden verteld door het verslag van de onderzoeks groep. Laten we beginnen.
De basis van het onderzoek
De term Ā«grafeenĀ» hebben we al veelvuldig gehoord ā dit is een twee-dimensionale modificatie van koolstof, bestaande uit een laag atomen koolstof die 1 atoom dik is. Maar Ā«borofenĀ» komt uiterst zeldzaam voor. Deze term duidt een twee-dimensionaal kristal aan dat uitsluitend uit booratomen (B) bestaat. De mogelijkheid voor de existentie van borofen werd voor het eerst voorspeld in het midden van de jaren '90, maar pas in 2015 werd het mogelijk om deze structuur daadwerkelijk te verkrijgen.
De atomische structuur van borofen bestaat uit driehoekige en hexagonale elementen en is het gevolg van de interactie tussen twee-centro en meer-centro intra-vlakte bindingen, wat zeer kenmerkend is voor elementen met een tekort aan elektronen, waartoe boor behoort.
*Onder twee-centro en meer-centro bindingen verstaan we chemische bindingen ā interacties tussen atomen die de stabiliteit van een molecuul of kristal als een enkele structuur kenmerken. Bijvoorbeeld, een twee-centro twee-elektron binding ontstaat wanneer 2 atomen 2 elektronen delen, terwijl een twee-centro drie-elektron binding 2 atomen en 3 elektronen, enzovoort, omvat.
Fysiek gezien kan borofen sterker en flexibeler zijn in vergelijking met grafeen. Het wordt ook aangenomen dat borofenstructuren een effectief aanvullend materiaal voor batterijen kunnen zijn, omdat borofen een hoge specifieke capaciteit en unieke eigenschappen heeft voor elektronische geleiding en ionoverdracht. Tot nu toe is dit echter slechts een theorie.
Als driewaarde-element*, heeft bor minstens 10 allotropen*. In de tweedimensionale vorm wordt dergelijke polymorfisme* ook waargenomen.
Het driewaarde-element* is in staat om drie covalente bindingen te vormen, waarvan de valentie gelijk is aan drie.
Allotropie* is wanneer Ć©Ć©n chemisch element kan worden gepresenteerd in de vorm van twee of meer eenvoudige stoffen. Als voorbeeld, koolstof - diamant, grafeen, grafiet, koolstofnanobuisjes, enz.
Polymorfisme* is het vermogen van een stof om in verschillende kristallijne structuren (polymorfe modificaties) te bestaan. In het geval van eenvoudige stoffen is deze term synoniem met allertropie.
Gezien zoveel polymorfisme, is er een veronderstelling dat borofen een uitstekende kandidaat kan worden voor de creatie van nieuwe tweedimensionale heterostructuren, omdat de verschillende borverbindingen de vereisten voor de overeenstemming van de kristallijne rooster zouden kunnen verlichten. Helaas is deze kwestie eerder uitsluitend op theoretisch niveau bestudeerd vanwege de moeilijkheden bij de synthese.
Voor gewone 2D-materialen, verkregen uit massieve gelaagde kristallen, kunnen verticale heterostructuren worden gerealiseerd door middel van mechanische stapeling. Aan de andere kant zijn tweedimensionale laterale heterostructuren gebaseerd op opwaartse synthese. Atomair precieste laterale heterostructuren hebben een groot potentieel in het oplossen van problemen met de controle over functionele mogelijkheden van heterojuncties, maar door covalente binding leidt een imperfecte roosterovereenstemming meestal tot brede en ongeordende interfaces. Bijgevolg is er potentieel, maar ook problemen bij de implementatie.
In dit werk is het onderzoekers gelukt om borofen en grafeen te integreren in Ć©Ć©n tweedimensionale heterostructuur. Ondanks het gebrek aan overeenstemming tussen de kristallografische roosters en symmetrieĆ«n van borofen en grafeen, leidt de sequentiĆ«le afzetting van koolstof en boor op een Ag(111) substraat in een ultra hoge vacuĆ¼m (UHV) tot bijna atomaardetail nauwkeurige laterale heterointerfaces met voorspelde roosterafstemming, evenals tot verticale heterointerfaces.
Voorbereiding op het onderzoek
Voordat de heterostructuur kon worden bestudeerd, moest deze worden vervaardigd. De groei van grafeen en borofen vond plaats in een ultra hoge vacuĆ¼mkamer met een druk van 1x10-10 millibar.
Het monokristallijne substraat Ag(111) werd gereinigd door herhaalde cycli van Ar+-spuiten (1 x 10-5 millibar, energie 800 eV, 30 minuten) en thermische terugwinning (550 Ā°C, 45 minuten) om een atomaal schone en vlakke Ag(111) oppervlakte te verkrijgen.
De groei van grafeen werd bereikt door middel van elektronstraal-verdamping van een zuivere (99,997%) grafietstaaf met een diameter van 2,0 mm op een verwarmd substraat van Ag(111) tot 750 Ā°C met een filamentsstroom van ~ 1,6 A en een versnelling spanning van ~ 2 kV, wat resulteert in een emissiestroom van ~ 70 mA en een koolstofflux van ~ 40 nA. De druk in de kamer was 1 x 10-9 millibar.
De groei van borofen vond plaats door middel van elektronstraal-verdamping van een zuivere (99,9999%) borastaaf op een verwarmde submonolaag van grafeen op Ag(111) tot 400-500 Ā°C. De filamentsstroom was ~ 1,5 A en de versnelling spanning was 1,75 kV, wat resulteert in een emissiestroom van ~ 34 mA en een boorflux van ~ 10 nA. De druk in de kamer tijdens de groei van borofen was ongeveer 2 x 10-10 millibar.
Onderzoeksresultaten
Afbeelding ā1
Op de afbeelding 1A getoond STM* afbeelding van het gekweekte grafeen, waar de grafeneblokken het beste worden gevisualiseerd met behulp van een kaart dI/dV (1B), waarbij I en V ā tunnelstroom en monsterspanning, en We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB. ā dichtheid.
STM* ā scanning tunneling microscope.
dI/dV Monsterkaarten toonden een hogere lokale dichtheid van toestanden van grafeen in vergelijking met het substraat Ag(111). In overeenstemming met eerdere studies heeft de oppervlaktetoestand van Ag(111) een trapkenmerk, verschoven naar positieve energieƫn op dI/dV het spectrum van grafeen (1C), wat de hogere lokale dichtheid van toestanden van grafeen op 1B bij 0,3 eV verklaart.
Op de afbeelding 1D we kunnen de structuur van monolaag grafeen zien, waarbij het honigraat duidelijk zichtbaar is en moirƩ-superstructuur*.
Superstructuur* ā kenmerk van de structuur van een kristallijn verbinding die zich met een bepaalde periode herhaalt en zo een nieuwe structuur met een andere omlootperiode creĆ«ert.
Moire* ā de overlapping van twee periodieke netpatronen bovenop elkaar.
Bij lagere temperaturen leidt de groei tot de vorming van dendritische en defecte grafen-domeinen. Vanwege de zwakke interacties tussen grafen en het onderliggende substraat is de roterende uitlijning van grafen ten opzichte van de onderliggende Ag (111) niet uniek.
Na de afzetting van boor toonde scanning tunneling microscopie (1E) de aanwezigheid aan van de verbinding van borofene en grafen-domeinen. Ook zijn op de afbeelding gebieden zichtbaar binnen grafen, die later als interkalated borofene grafen werden geĆÆdentificeerd (aangegeven op de foto Gr/B). In dit gebied zijn ook goed zichtbare lineaire elementen te zien die in drie richtingen zijn georiĆ«nteerd en gescheiden zijn door een hoek van 120 Ā° (gele pijlen).
Afbeelding nr. 2
De afbeelding op 2A, evenals 1E, bevestigen de verschijning van gelokaliseerde donkere deuken (depressies) in grafen na de afzetting van boor.
Om deze structuren beter te bekijken en hun oorsprong te achterhalen, is er nog een afbeelding van hetzelfde gebied gemaakt, maar met behulp van kaart |dlnI/dz| (2Š), Š³Š“Šµ I ā tunnelstroom, We verwijderen de huidige partitie om een nieuwe aan te maken voor in totaal 50 GB. ā dichtheid, en z ā scheiding sonde-monster (de speling tussen de microscoopnaald en het monster). Het gebruik van deze methodologie stelt ons in staat om beelden met een hogere ruimtelijke resolutie te verkrijgen. Ook kan hiervoor CO of H2 op de microscoopnaald worden toegepast.
Afbeelding 2Š” is een afbeelding verkregen met STM, waarvan de naald was bedekt met CO. Vergelijking van de afbeeldingen A, In en met toont aan dat alle atomische elementen worden gedefinieerd als drie aangrenzende heldere hexagonen die in twee niet-vergelijkbare richtingen zijn gericht (rode en gele driehoeken op de afbeeldingen).
Vergrote afbeeldingen van dit gebied (2D) bevestigen dat deze elementen in overeenstemming zijn met de legeringsimpuriteiten van boor, die twee subroosters van grafen bezetten, wat ook blijkt uit de overlappende structuren.
De CO-bescherming van de microscoopnaald maakte het mogelijk om de geometrische structuur van het borofenelaag (2E) in kaart te brengen, wat onmogelijk zou zijn geweest als de naald standaard (metalen) was zonder CO-coating.
Afbeelding nr. 3
De vorming van laterale heterointerfaces tussen borofene en grafen (3A) moet gebeuren wanneer borofen groeit naast grafen-domeinen, waarin al bor aanwezig is.
Wetenschappers herinneren eraan dat laterale heterointerfaces op basis van grafen-hBN (grafen + boornitride) een roosterconsistentie hebben, terwijl heterojuncties gebaseerd op transitiemetalen dichalcogenides een symmetrieconsistentie bezitten. In het geval van grafen/borofen is de situatie iets anders ā ze hebben minimale structurele overeenkomsten wat betreft roosterconstanten of kristallijne symmetrie. Echter, ondanks dit, vertoont de laterale heterointerface grafen/borofen praktisch ideale atomische consistentie, waarbij de rijen van bor (B-row) zijn uitgelijnd met de zigzag (ZZ) richtingen van grafen.3A) Bij 3B is een vergrote afbeelding van het ZZ gebied van de heterointerface weergegeven (blauwe lijnen markeren de interfacial elementen, die overeenkomen met de bor-koolstof covalente bindingen).
Aangezien de groei van borofen plaatsvindt bij een lagere temperatuur vergeleken met grafen, zullen de randen van het grafen-domein waarschijnlijk niet veel mobiliteit hebben bij het vormen van de heterointerface met borofen. Daarom is het vrijwel atomisch precieze heterointerface waarschijnlijk het resultaat van verschillende configuraties en kenmerken van meercentra-binden van bor. De spectra van scanning tunneling spectroscopy (3C) en differential tunneling conductance (3D) tonen aan dat de elektronische overgang van grafen naar borofen plaatsvindt op een afstand van ~ 5 Ć zonder zichtbare interface-staten.
Op de afbeelding 3E drie spectra van scanning tunneling spectroscopy, gemaakt langs drie puntlijnen op 3D, worden weergegeven, die bevestigen dat deze korte elektronische overgang ongevoelig is voor lokale interfaciale structuren en vergelijkbaar is met die op de grenzen van borofen-zilver.
Afbeelding ā4
Grafen intercalatie* is ook eerder uitgebreid onderzocht, echter de conversie van intercalanten naar echte 2D-bladen is een relatief zeldzaam fenomeen.
Intercalatie* is de omkeerbare opname van een molecule of groep van moleculen tussen andere moleculen of groepen moleculen.
De kleine atomaire radius van bor en de zwakke interactie tussen grafen en Ag (111) suggereren mogelijke intercalatie van grafen met bor. Op de afbeelding 4A Er zijn bewijzen gepresenteerd van zowel de interkalatie van boor als de vorming van verticale borofen-grafen heterostructuren, in het bijzonder driehoekige domeinen omgeven door grafen. Het rooster dat te zien is op dit driehoekige domein bevestigt de aanwezigheid van grafen. Echter, deze grafen vertoont een lagere lokale densiteit van toestanden bij -50 meV in vergelijking met de omringende grafen (4B). In vergelijking met grafen direct op Ag (111) zijn er geen tekenen van een hoge lokale densiteit van toestanden in het spectrum dI/dV (4C, de blauwe lijn), die overeenkomt met de oppervlaktoestand van Ag (111), is het eerste bewijs van de interkalatie van boor.
Zoals verwacht bij gedeeltelijke interkalatie, blijft het grafenrooster continu over het laterale interface tussen grafen en het driehoekige gebied (4D ā correspondeert met het rechthoekige gebied op 4A, omcirkeld met een rode stippellijn). Een afbeelding met behulp van een SO op de punt van de microscoop bevestigde ook de aanwezigheid van vervangende booronzuiverheden (4E ā correspondeert met het rechthoekige gebied op 4A, omcirkeld met een gele stippellijn).
Tijdens de analyse werden ook naaldmicroscopen zonder enige coating gebruikt. In dit geval werden in de interkalatied grafen domeinen tekenen van eendimensionale lineaire elementen met een periodiciteit van 5 Ć gevonden (4F en 4G). Deze eendimensionale structuren lijken op rijen boor in het model van borofen. Naast de set punten die overeenkomen met grafen toont de Fourier-transformatie van de afbeelding op 4G een paar orthogonale punten die overeenkomen met het rechthoekige rooster van 3 Ć x 5 Ć (4H), wat perfect overeenkomt met het model van borofen. Daarnaast komt de waargenomen triple oriĆ«ntatie van het rooster van lineaire elementen (1E) goed overeen met dezelfde heersende structuur die wordt waargenomen voor borofendos.
Al deze observaties getuigen overtuigend van de interkalatie van grafen door borofen nabij de randen van Ag, wat leidt tot de vorming van verticale heterostructuren van borofen-grafen, die voornamelijk kan worden gerealiseerd door de initiƫle coating van grafen te vergroten.
4I is een schematische weergave van de verticale heterostructuur op 4H, waar de richting van het boren (roze pijl) dicht is uitgelijnd met de zigzagrichting van graphene (zwarte pijl), waardoor een rotatie-gemonteerde verticale heterostructuur ontstaat.
Voor een meer gedetailleerd inzicht in de nuances van het onderzoek raad ik aan om te kijken naar en hieraan.
Epilog
Dit onderzoek heeft aangetoond dat borofen in staat is om laterale en verticale heterostructuren met graphene te vormen. Dergelijke systemen kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe soorten tweedimensionale elementen voor nanotechnologie, flexibele en draagbare elektronica, evenals in nieuwe soorten halfgeleiders.
De onderzoekers zelf geloven dat hun ontwikkeling een krachtige stimulans kan zijn voor technologieƫn gerelateerd aan elektronica. Maar om te zeggen dat hun woorden profetisch zullen zijn, is voorlopig moeilijk. Er blijft nog veel te onderzoeken, te begrijpen en uit te vinden voordat de sciencefictionideeƫn die de geesten van wetenschappers vullen, een echte realiteit worden.
Bedankt voor uw aandacht, blijf nieuwsgierig en een fijne werkweek, iedereen. š
Bedankt dat je bij ons blijft. Houd je van onze artikelen? Wil je meer interessante inhoud zien? Ondersteun ons door een bestelling te plaatsen of ons aan vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke variant van entry-level servers, speciaal voor jou ontworpen: (opties beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd voor de helft van de prijs? Alleen bij ons in Nederland! Dell R420 ā 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB ā vanaf $99! Lees over hoe
Bron: habr.com
