“Mutatie is de sleutel tot het ontrafelen van het mysterie van de evolutie. Het ontwikkelingspad van het eenvoudigste organisme naar de dominante biologische soort duurt duizenden jaren. Maar elke honderdduizend jaar is er een scherpe sprong voorwaarts in de evolutie” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Als we alle sciencefictionelementen uit strips en films buiten beschouwing laten, zijn de woorden van professor X volkomen waar. De ontwikkeling van iets verloopt meestal gelijkmatig, maar soms zijn er sprongen die een enorme impact hebben op het hele proces. Dit geldt niet alleen voor de evolutie van soorten, maar ook voor de evolutie van technologie, waarvan de belangrijkste drijfveer mensen, hun onderzoek en uitvindingen zijn. Vandaag zullen we kennis maken met een onderzoek dat volgens de auteurs een echte evolutionaire sprong voorwaarts is in de nanotechnologie. Hoe zijn wetenschappers van de Northwestern University (VS) erin geslaagd een nieuwe tweedimensionale heterostructuur te creëren, waarom werden grafeen en borofeen als basis gekozen en welke eigenschappen zou zo’n systeem kunnen hebben? Het rapport van de onderzoeksgroep vertelt hierover. Gaan.
Onderzoeksbasis
We hebben de term ‘grafeen’ vaak gehoord; het is een tweedimensionale modificatie van koolstof, bestaande uit een laag koolstofatomen van 1 atoom dik. Maar "borofen" is uiterst zeldzaam. Deze term verwijst naar een tweedimensionaal kristal dat uitsluitend uit boor(B)-atomen bestaat. De mogelijkheid van het bestaan van borofeen werd voor het eerst voorspeld halverwege de jaren negentig, maar in de praktijk was het pas in 90 mogelijk om deze structuur te verkrijgen.
De atomaire structuur van borofeen bestaat uit driehoekige en hexagonale elementen en is een gevolg van de interactie tussen bindingen met twee centra en meerdere centra in het vlak, wat heel typerend is voor elektronendeficiënte elementen, waaronder boor.
*Met bindingen met twee centra en meerdere centra bedoelen we chemische bindingen: interacties van atomen die de stabiliteit van een molecuul of kristal als een enkele structuur karakteriseren. Een twee-elektronenbinding met twee centra vindt bijvoorbeeld plaats wanneer 2 atomen 2 elektronen delen, en een drie-elektronenbinding met twee centra treedt op wanneer 2 atomen en 3 elektronen, enz.
Vanuit fysiek oogpunt kan borofeen sterker en flexibeler zijn dan grafeen. Er wordt ook aangenomen dat borofeenstructuren een effectieve aanvulling kunnen zijn voor batterijen, omdat borofeen een hoge specifieke capaciteit en unieke elektronische geleidbaarheid en ionentransporteigenschappen heeft. Op dit moment is dit echter slechts een theorie.
zijnde driewaardig element*, boor heeft er minstens 10 allotropen*. In tweedimensionale vorm, vergelijkbaar polymorfisme* wordt ook waargenomen.
Driewaardig element* in staat om drie covalente bindingen te vormen, waarvan de valentie drie is.
Allotropie* - wanneer één chemisch element kan worden gepresenteerd in de vorm van twee of meer eenvoudige stoffen. Koolstof - diamant, grafeen, grafiet, koolstofnanobuisjes, enz.
Polymorfisme* - het vermogen van een stof om in verschillende kristalstructuren te bestaan (polymorfe modificaties). In het geval van eenvoudige stoffen is deze term synoniem met allotropie.
Gegeven dit brede polymorfisme wordt gesuggereerd dat borofeen een uitstekende kandidaat kan zijn voor het creëren van nieuwe tweedimensionale heterostructuren, aangezien verschillende boorbindingsconfiguraties de vereisten voor roostermatching zouden moeten versoepelen. Helaas werd dit probleem voorheen uitsluitend op theoretisch niveau bestudeerd vanwege problemen bij de synthese.
Voor conventionele 2D-materialen verkregen uit bulkgelaagde kristallen kunnen verticale heterostructuren worden gerealiseerd met behulp van mechanisch stapelen. Aan de andere kant zijn tweedimensionale laterale heterostructuren gebaseerd op bottom-up synthese. Atomair nauwkeurige laterale heterostructuren hebben een groot potentieel bij het oplossen van functionele controleproblemen met heterojuncties, maar als gevolg van covalente binding resulteert imperfecte roostermatching doorgaans in brede en ongeordende grensvlakken. Er is dus potentieel, maar er zijn ook problemen bij het realiseren ervan.
In dit werk zijn de onderzoekers erin geslaagd borofeen en grafeen te integreren in één tweedimensionale heterostructuur. Ondanks de kristallografische roostermismatch en symmetrie tussen borofeen en grafeen, resulteert de opeenvolgende afzetting van koolstof en boor op een Ag(111)-substraat onder ultrahoog vacuüm (UHV) in bijna atomair nauwkeurige laterale heterogrensvlakken met voorspelde roosteruitlijningen, evenals verticale heterogrensvlakken .
Voorbereiden op de studie
Voordat de heterostructuur kon worden bestudeerd, moest deze worden gefabriceerd. De groei van grafeen en borofeen werd uitgevoerd in een ultrahoogvacuümkamer met een druk van 1x10-10 millibar.
Het monokristallijne Ag(111)-substraat werd gereinigd door herhaalde cycli van Ar+-sputteren (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuten) en thermisch uitgloeien (550 °C, 45 minuten) om een atomair schoon en vlak Ag( 111) oppervlak. .
Grafeen werd gegroeid door verdamping met elektronenstralen van een zuivere (99,997%) grafietstaaf met een diameter van 2.0 mm op een Ag (750) substraat verwarmd tot 111 ° C bij een verwarmingsstroom van ~ 1.6 A en een versnellingsspanning van ~ 2 kV , wat een emissiestroom van ~ 70 mA en een koolstofflux van ~ 40 nA oplevert. De druk in de kamer bedroeg 1 x 10-9 millibar.
Borofeen werd gegroeid door verdamping met elektronenstralen van een zuivere (99,9999%) boorstaaf op submonolaaggrafeen op Ag (400) verwarmd tot 500-111 ° C. De gloeistroom was ~1.5 A en de versnellingsspanning was 1.75 kV, wat een emissiestroom oplevert van ~34 mA en een boorflux van ~10 nA. De druk in de kamer tijdens de groei van borofeen was ongeveer 2 x 10-10 millibar.
Onderzoeksresultaten
Afbeelding #1
Op de afbeelding 1А getoond STM* een momentopname van gegroeid grafeen, waarbij de grafeendomeinen het beste kunnen worden gevisualiseerd met behulp van een kaart dI/dV (1V) waar I и V zijn de tunnelstroom en de monsterverplaatsing, en d - dikte.
STM* — scanning-tunnelingmicroscoop.
dI/dV kaarten van het monster lieten ons toe een hogere lokale dichtheid van grafeentoestanden te zien vergeleken met het Ag(111)-substraat. In overeenstemming met eerdere studies heeft de oppervlaktetoestand van Ag (111) een stapkarakteristiek, verschoven naar positieve energieën door dI/dV spectrum van grafeen (1S), wat de hogere lokale dichtheid van grafeentoestanden verklaart 1V bij 0.3 eV.
Op de afbeelding 1D we kunnen de structuur van enkellaags grafeen zien, waar het honingraatrooster duidelijk zichtbaar is moiré bovenbouw*.
Bovenbouw* - een kenmerk van de structuur van een kristallijne verbinding dat zich met een bepaald interval herhaalt en zo een nieuwe structuur creëert met een andere afwisselingsperiode.
Moiré* - superpositie van twee periodieke maaspatronen op elkaar.
Bij lagere temperaturen leidt groei tot de vorming van dendritische en defecte grafeendomeinen. Vanwege de zwakke interacties tussen grafeen en het onderliggende substraat is de rotatie-uitlijning van grafeen ten opzichte van het onderliggende Ag(111) niet uniek.
Na boorafzetting wordt scanning-tunnelingmicroscopie (1E) toonde de aanwezigheid aan van een combinatie van borofeen- en grafeendomeinen. Ook zichtbaar in de afbeelding zijn gebieden binnen het grafeen, die later werden geïdentificeerd als grafeen geïntercaleerd met borofeen (aangegeven in de afbeelding Gr/B). Ook lineaire elementen, georiënteerd in drie richtingen en gescheiden door een hoek van 120°, zijn in dit gebied duidelijk zichtbaar (gele pijlen).
Afbeelding #2
Foto aan 2АAls 1E, bevestigen het verschijnen van gelokaliseerde donkere depressies in grafeen na boorafzetting.
Om deze formaties beter te onderzoeken en hun oorsprong te achterhalen, werd nog een foto gemaakt van hetzelfde gebied, maar met behulp van kaarten |dlnI/dz| (2B), waar I — tunnelstroom, d is de dichtheid, en z — scheiding van sonde en monster (de opening tussen de microscoopnaald en het monster). Het gebruik van deze techniek maakt het mogelijk om beelden met een hoge ruimtelijke resolutie te verkrijgen. Je kunt hiervoor ook CO of H2 op de microscoopnaald gebruiken.
image 2S is een afbeelding verkregen met behulp van een STM waarvan de punt was bedekt met CO. Vergelijking van afbeeldingen А, В и С laat zien dat alle atomaire elementen worden gedefinieerd als drie aangrenzende heldere zeshoeken die in twee niet-equivalente richtingen zijn gericht (rode en gele driehoeken op de foto's).
Vergrote afbeeldingen van dit gebied (2D) bevestigen dat deze elementen in overeenstemming zijn met boordoteeronzuiverheden, die twee grafeensubroosters bezetten, zoals aangegeven door de op elkaar geplaatste structuren.
CO-coating van de microscoopnaald maakte het mogelijk om de geometrische structuur van de borofeenplaat zichtbaar te maken (2E), wat onmogelijk zou zijn als de naald standaard (metaal) zou zijn zonder CO-coating.
Afbeelding #3
Vorming van laterale heterogrensvlakken tussen borofeen en grafeen (3А) zou moeten optreden wanneer borofeen groeit naast grafeendomeinen die al boor bevatten.
Wetenschappers herinneren eraan dat laterale heterogrensvlakken op basis van grafeen-hBN (grafeen + boornitride) een roosterconsistentie hebben, en dat heterojuncties op basis van overgangsmetaaldichalcogeniden een symmetrieconsistentie hebben. In het geval van grafeen/borofeen is de situatie enigszins anders: ze vertonen minimale structurele gelijkenis in termen van roosterconstanten of kristalsymmetrie. Desondanks vertoont het laterale grafeen/borofeen-heterogrensvlak een bijna perfecte atomaire consistentie, waarbij de richtingen van de boorrij (B-rij) uitgelijnd zijn met de zigzagrichtingen (ZZ) van grafeen (3А). Op 3V er wordt een vergroot beeld getoond van het ZZ-gebied van het heterogrensvlak (blauwe lijnen geven grensvlakelementen aan die overeenkomen met covalente boor-koolstofbindingen).
Omdat borofeen bij een lagere temperatuur groeit in vergelijking met grafeen, is het onwaarschijnlijk dat de randen van het grafeendomein een hoge mobiliteit zullen hebben bij het vormen van een heterogrensvlak met borofeen. Daarom is het bijna atomair nauwkeurige heterogrensvlak waarschijnlijk het resultaat van verschillende configuraties en kenmerken van boorbindingen met meerdere locaties. Scanning tunneling spectroscopie spectra (3S) en differentiële tunnelgeleiding (3D) laten zien dat de elektronische overgang van grafeen naar borofeen plaatsvindt over een afstand van ~5 Å zonder zichtbare grensvlaktoestanden.
Op de afbeelding 3E Getoond worden drie scanning-tunnelingspectroscopiespectra genomen langs de drie stippellijnen in 3D, die bevestigen dat deze korte elektronische overgang ongevoelig is voor lokale grensvlakstructuren en vergelijkbaar is met die bij borofeen-zilvergrensvlakken.
Afbeelding #4
Grafeen intercalatie* is ook eerder uitgebreid bestudeerd, maar de omzetting van intercalanten in echte 2D-vellen is relatief zeldzaam.
Intercalatie* - omkeerbare insluiting van een molecuul of groep moleculen tussen andere moleculen of groepen moleculen.
De kleine atoomstraal van boor en de zwakke interactie tussen grafeen en Ag(111) suggereren een mogelijke intercalatie van grafeen met boor. In de afbeelding 4А Er wordt niet alleen bewijs geleverd voor boorintercalatie, maar ook voor de vorming van verticale borofeen-grafeen-heterostructuren, vooral driehoekige domeinen omgeven door grafeen. Het honingraatrooster waargenomen op dit driehoekige domein bevestigt de aanwezigheid van grafeen. Dit grafeen vertoont echter een lagere lokale toestandsdichtheid bij -50 meV vergeleken met het omringende grafeen (4V). Vergeleken met grafeen direct op Ag(111) is er geen bewijs van een hoge lokale toestandsdichtheid in het spectrum dI/dV (4C, blauwe curve), overeenkomend met de oppervlaktetoestand van Ag(111), is het eerste bewijs van boorintercalatie.
Ook blijft, zoals verwacht voor gedeeltelijke intercalatie, het grafeenrooster continu gedurende het laterale grensvlak tussen het grafeen en het driehoekige gebied (4D - komt overeen met een rechthoekig gebied op 4А, omcirkeld met een rode stippellijn). Een afbeelding met COXNUMX op een microscoopnaald bevestigde ook de aanwezigheid van boorsubstitutie-onzuiverheden (4E - komt overeen met een rechthoekig gebied op 4А, omcirkeld met een gele stippellijn).
Tijdens de analyse werden ook microscoopnaalden zonder enige coating gebruikt. In dit geval werden tekenen van eendimensionale lineaire elementen met een periodiciteit van 5 Å onthuld in de geïntercaleerde grafeendomeinen (4F и 4G). Deze eendimensionale structuren lijken op de boorrijen in het borofeenmodel. Naast de reeks punten die overeenkomen met grafeen, de Fourier-transformatie van het beeld 4G geeft een paar orthogonale punten weer die overeenkomen met een rechthoekig rooster van 3 Å x 5 Å (4H), wat uitstekend overeenkomt met het borofeenmodel. Bovendien is de waargenomen drievoudige oriëntatie van de reeks lineaire elementen (1E) komt goed overeen met dezelfde overheersende structuur die wordt waargenomen voor borofeenplaten.
Al deze waarnemingen suggereren sterk de intercalatie van grafeen door borofeen nabij de randen van Ag, wat bijgevolg leidt tot de vorming van verticale borofeen-grafeen-heterostructuren, wat met voordeel kan worden gerealiseerd door de initiële dekking van grafeen te vergroten.
4I is een schematische weergave van een verticale heterostructuur op 4H, waarbij de richting van de boorrij (roze pijl) nauw is uitgelijnd met de zigzagrichting van grafeen (zwarte pijl), waardoor een rotatieproportioneel verticale heterostructuur wordt gevormd.
Voor een meer gedetailleerde kennismaking met de nuances van de studie raad ik aan om naar te kijken и naar hem.
epiloog
Deze studie toonde aan dat borofeen heel goed in staat is laterale en verticale heterostructuren te vormen met grafeen. Dergelijke systemen kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van nieuwe soorten tweedimensionale elementen die worden gebruikt in de nanotechnologie, flexibele en draagbare elektronica, evenals nieuwe soorten halfgeleiders.
De onderzoekers zelf geloven dat hun ontwikkeling een krachtige impuls voor elektronica-gerelateerde technologieën zou kunnen zijn. Het is echter nog steeds moeilijk om met zekerheid te zeggen dat hun woorden profetisch zullen worden. Op dit moment moet er nog veel worden onderzocht, begrepen en uitgevonden, zodat de science fiction-ideeën die de hoofden van wetenschappers vullen een volwaardige realiteit worden.
Bedankt voor het lezen, blijf nieuwsgierig en een fijne week jongens. 🙂
Bedankt dat je bij ons bent gebleven. Vind je onze artikelen leuk? Wil je meer interessante inhoud zien? Steun ons door een bestelling te plaatsen of door vrienden aan te bevelen, 30% korting voor Habr-gebruikers op een unieke analoog van instapservers, die door ons voor u is uitgevonden: (beschikbaar met RAID1 en RAID10, tot 24 cores en tot 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 keer goedkoper? Alleen hier in Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - vanaf $99! Lees over
Bron: www.habr.com