"Mutasjon er nøkkelen til å avdekke evolusjonens mysterium. Utviklingsveien fra den enkleste organismen til den dominerende biologiske arten varer i tusenvis av år. Men hvert hundre tusen år er det et kraftig sprang fremover i evolusjonen» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Hvis vi forkaster alle science-fiction-elementene som finnes i tegneserier og filmer, så er ordene til professor X ganske sanne. Utviklingen av noe går jevnt mesteparten av tiden, men noen ganger er det hopp som har stor innvirkning på hele prosessen. Dette gjelder ikke bare utviklingen av arter, men også utviklingen av teknologi, hvis hoveddriver er mennesker, deres forskning og oppfinnelser. I dag skal vi bli kjent med en studie som ifølge forfatterne er et reelt evolusjonssprang innen nanoteknologi. Hvordan klarte forskere fra Northwestern University (USA) å lage en ny todimensjonal heterostruktur, hvorfor ble grafen og borofen valgt som grunnlag, og hvilke egenskaper kan et slikt system ha? Rapporten til forskergruppen vil fortelle oss om dette. Gå.
Grunnlaget for studien
Vi har hørt begrepet "grafen" mange ganger; det er en todimensjonal modifikasjon av karbon, bestående av et lag med karbonatomer 1 atom tykt. Men "borofen" er ekstremt sjelden. Dette begrepet refererer til en todimensjonal krystall som utelukkende består av bor (B) atomer. Muligheten for eksistensen av borofen ble først spådd tilbake på midten av 90-tallet, men i praksis var det mulig å oppnå denne strukturen først innen 2015.
Atomstrukturen til borofen består av trekantede og sekskantede elementer og er en konsekvens av interaksjonen mellom tosenter- og multisenter-bindinger i planet, som er veldig typisk for elektronmangelfulle elementer, som inkluderer bor.
*Med tosenter- og multisenterbindinger mener vi kjemiske bindinger - interaksjoner av atomer som karakteriserer stabiliteten til et molekyl eller en krystall som en enkelt struktur. For eksempel oppstår en to-senter to-elektronbinding når 2 atomer deler 2 elektroner, og en to-senter tre-elektronbinding oppstår når 2 atomer og 3 elektroner, etc.
Fra et fysisk synspunkt kan borofen være sterkere og mer fleksibelt enn grafen. Det antas også at borofenstrukturer kan være et effektivt komplement for batterier fordi borofen har høy spesifikk kapasitet og unike elektroniske ledningsevne og ionetransportegenskaper. Men for øyeblikket er dette bare en teori.
Å være trivalent element*, bor har minst 10 allotroper*. I todimensjonal form, lignende polymorfisme* er også observert.
Trivalent element* i stand til å danne tre kovalente bindinger, hvis valens er tre.
Allotropi* - når ett kjemisk grunnstoff kan presenteres i form av to eller flere enkle stoffer. Som et eksempel, karbon - diamant, grafen, grafitt, karbon nanorør, etc.
Polymorfisme* - et stoffs evne til å eksistere i forskjellige krystallstrukturer (polymorfe modifikasjoner). Når det gjelder enkle stoffer, er dette begrepet synonymt med allotropi.
Gitt denne brede polymorfismen, antydes det at borofen kan være en utmerket kandidat for å lage nye todimensjonale heterostrukturer, siden forskjellige borbindingskonfigurasjoner bør redusere gittertilpasningskravene. Dessverre ble dette problemet tidligere studert utelukkende på teoretisk nivå på grunn av vanskeligheter med syntese.
For konvensjonelle 2D-materialer oppnådd fra bulklagdelte krystaller, kan vertikale heterostrukturer realiseres ved hjelp av mekanisk stabling. På den annen side er todimensjonale laterale heterostrukturer basert på bottom-up syntese. Atomisk presise laterale heterostrukturer har stort potensiale for å løse funksjonelle heterojunction-kontrollproblemer, men på grunn av kovalent binding, resulterer ufullkommen gittertilpasning vanligvis i brede og uordnede grensesnitt. Derfor er det potensiale, men det er også problemer med å realisere det.
I dette arbeidet klarte forskerne å integrere borofen og grafen i én todimensjonal heterostruktur. Til tross for den krystallografiske gittermismatchen og symmetrien mellom borofen og grafen, resulterer sekvensiell avsetning av karbon og bor på et Ag(111)-substrat under ultrahøyt vakuum (UHV) i nesten atomisk presise laterale heterogrensesnitt med forutsagte gitterjusteringer, så vel som vertikale heterogrensesnitt. .
Forberedelse for forskning
Før man studerer heterostrukturen, måtte den fremstilles. Veksten av grafen og borofen ble utført i et ultrahøyt vakuumkammer med et trykk på 1x10-10 millibar.
Enkeltkrystall Ag(111)-substratet ble rengjort ved gjentatte sykluser med Ar+-forstøvning (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minutter) og termisk gløding (550 °C, 45 minutter) for å oppnå en atomisk ren og flat Ag( 111) overflate. .
Grafen ble dyrket ved elektronstrålefordampning av en ren (99,997 %) grafittstav med en diameter på 2.0 mm på et Ag (750) substrat oppvarmet til 111 °C ved en varmestrøm på ~ 1.6 A og en akselerasjonsspenning på ~ 2 kV , som gir en emisjonsstrøm på ~70 mA og karbonfluks ~40 nA. Trykket i kammeret var 1 x 10-9 millibar.
Borofen ble dyrket gjennom elektronstrålefordampning av en ren (99,9999 %) borstav på submonolagsgrafen på Ag (400) oppvarmet til 500-111 °C. Filamentstrømmen var ~1.5 A og akselerasjonsspenningen var 1.75 kV, noe som gir en emisjonsstrøm på ~34 mA og en borfluks på ~10 nA. Trykket i kammeret under veksten av borofen var ca. 2 x 10-10 millibar.
Forskningsresultater
Bilde #1
På bildet 1А vist STM* et øyeblikksbilde av dyrket grafen, der grafendomenene best visualiseres ved hjelp av et kart dI/dV (1V), hvor I и V er tunnelstrømmen og prøveforskyvningen, og d - tetthet.
STM* — scanning tunneling mikroskop.
dI/dV kart over prøven tillot oss å se en høyere lokal tetthet av tilstander av grafen sammenlignet med Ag(111)-substratet. I samsvar med tidligere studier har overflatetilstanden til Ag (111) en trinnkarakteristikk, forskjøvet mot positive energier ved dI/dV spekter av grafen (1S), som forklarer den høyere lokale tettheten av tilstander av grafen på 1V ved 0.3 eV.
På bildet 1D vi kan se strukturen til enkeltlags grafen, hvor bikakegitteret og moiré overbygg*.
Overbygg* - et trekk ved strukturen til en krystallinsk forbindelse som gjentas med et visst intervall og dermed skaper en ny struktur med en annen vekslingsperiode.
Moire* - superposisjon av to periodiske mesh-mønstre oppå hverandre.
Ved lavere temperaturer fører vekst til dannelsen av dendritiske og defekte grafendomener. På grunn av svake interaksjoner mellom grafen og det underliggende substratet, er rotasjonsjusteringen av grafen i forhold til den underliggende Ag(111) ikke unik.
Etter boravsetning, skanningstunnelmikroskopi (1E) viste tilstedeværelsen av en kombinasjon av borofen- og grafendomener. Også synlige på bildet er områder inne i grafenet, som senere ble identifisert som grafen interkalert med borofen (angitt på bildet Gr/B). Lineære elementer orientert i tre retninger og atskilt med en vinkel på 120° er også godt synlige i dette området (gule piler).
Bilde #2
Foto på 2АSom 1E, bekrefter utseendet til lokale mørke fordypninger i grafen etter boravsetning.
For bedre å undersøke disse formasjonene og finne deres opprinnelse, ble det tatt et annet fotografi av det samme området, men ved hjelp av kart |dlnI/dz| (2B), hvor I - tunnelstrøm, d er tettheten, og z — sonde-prøveseparasjon (gapet mellom mikroskopnålen og prøven). Bruken av denne teknikken gjør det mulig å få bilder med høy romlig oppløsning. Du kan også bruke CO eller H2 på mikroskopnålen til dette.
bilde 2S er et bilde oppnådd ved bruk av en STM hvis tupp var belagt med CO. Sammenligning av bilder А, В и С viser at alle atomiske elementer er definert som tre tilstøtende lyse sekskanter rettet i to ikke-ekvivalente retninger (røde og gule trekanter på fotografiene).
Forstørrede bilder av dette området (2D) bekrefter at disse elementene er i overensstemmelse med bor-doping-urenheter, og okkuperer to grafen-undergitter, som indikert av de overlagrede strukturene.
CO-belegg av mikroskopnålen gjorde det mulig å avsløre den geometriske strukturen til borofenarket (2E), noe som ville være umulig hvis nålen var standard (metall) uten CO-belegg.
Bilde #3
Dannelse av laterale heterogrensesnitt mellom borofen og grafen (3А) bør oppstå når borofen vokser ved siden av grafendomener som allerede inneholder bor.
Forskere minner om at laterale heterogrensesnitt basert på grafen-hBN (grafen + bornitrid) har gitterkonsistens, og heterojunctions basert på overgangsmetalldikalkogenider har symmetrikonsistens. Når det gjelder grafen/borofen er situasjonen litt annerledes - de har minimal strukturell likhet når det gjelder gitterkonstanter eller krystallsymmetri. Til tross for dette viser imidlertid det laterale grafen/borofen-heterogrensesnittet nesten perfekt atomkonsistens, med borrad- (B-rad)-retningene på linje med sikksakk- (ZZ)-retningene til grafen (3А). På 3V et forstørret bilde av ZZ-regionen til heterogrensesnittet er vist (blå linjer indikerer grensesnittelementer som tilsvarer bor-karbon kovalente bindinger).
Siden borofen vokser ved en lavere temperatur sammenlignet med grafen, er det usannsynlig at kantene på grafendomenet har høy mobilitet når de danner et heterogrensesnitt med borofen. Derfor er den nesten atomisk presise heterogrensesnittet sannsynligvis et resultat av forskjellige konfigurasjoner og egenskaper til multisite borbindinger. Skannede tunnelspektroskopiske spektre (3S) og differensiell tunnelledningsevne (3D) viser at den elektroniske overgangen fra grafen til borofen skjer over en avstand på ~5 Å uten synlige grensesnitttilstander.
På bildet 3E Vist er tre skanningstunnelspektroskopispektra tatt langs de tre stiplede linjene i 3D, som bekrefter at denne korte elektroniske overgangen er ufølsom for lokale grensesnittstrukturer og er sammenlignbar med den ved borofen-sølv-grensesnitt.
Bilde #4
Grafen interkalering* har også tidligere blitt mye studert, men konvertering av interkalanter til ekte 2D-ark er relativt sjelden.
Interkalering* - reversibel inkludering av et molekyl eller en gruppe av molekyler mellom andre molekyler eller grupper av molekyler.
Den lille atomradiusen til bor og den svake interaksjonen mellom grafen og Ag(111) antyder mulig interkalering av grafen med bor. På bildet 4А bevis presenteres ikke bare for borinterkalering, men også for dannelsen av vertikale borofen-grafen-heterostrukturer, spesielt trekantede domener omgitt av grafen. Bikakegitteret observert på dette trekantede domenet bekrefter tilstedeværelsen av grafen. Imidlertid viser denne grafenen en lavere lokal tetthet av tilstander ved -50 meV sammenlignet med omkringliggende grafen (4V). Sammenlignet med grafen direkte på Ag(111), er det ingen bevis for en høy lokal tetthet av tilstander i spekteret dI/dV (4C, blå kurve), som tilsvarer Ag(111) overflatetilstand, er det første beviset på borinterkalasjon.
Som forventet for delvis interkalering, forblir grafengitteret kontinuerlig gjennom det laterale grensesnittet mellom grafenet og det trekantede området (4D - tilsvarer et rektangulært område på 4Аsirklet med rød stiplet linje). Et bilde med CO på en mikroskopnål bekreftet også tilstedeværelsen av borsubstitusjonsurenheter (4E - tilsvarer et rektangulært område på 4А, sirklet med gul stiplet linje).
Mikroskopnåler uten belegg ble også brukt under analysen. I dette tilfellet ble tegn på endimensjonale lineære elementer med en periodisitet på 5 Å avslørt i de interkalerte grafendomenene (4F и 4G). Disse endimensjonale strukturene ligner borradene i borofenmodellen. I tillegg til settet med punkter som tilsvarer grafen, transformerer Fourier-bildet til 4G viser et par ortogonale punkter som tilsvarer et 3 Å x 5 Å rektangulært gitter (4H), som er i utmerket overensstemmelse med borofenmodellen. I tillegg er den observerte trippelorienteringen av rekken av lineære elementer (1E) stemmer godt overens med den samme dominerende strukturen observert for borofenplater.
Alle disse observasjonene antyder sterkt interkalering av grafen med borofen nær kantene av Ag, noe som følgelig fører til dannelsen av vertikale borofen-grafen-heterostrukturer, som med fordel kan realiseres ved å øke den første dekningen av grafen.
4I er en skjematisk fremstilling av en vertikal heterostruktur på 4H, hvor retningen til borraden (rosa pil) er tett på linje med sikksakk-retningen til grafen (svart pil), og danner dermed en rotasjonsproporsjonal vertikal heterostruktur.
For en mer detaljert forståelse av nyansene i studien anbefaler jeg å ta en titt på и til ham.
Epilog
Denne studien viste at borofen er ganske i stand til å danne laterale og vertikale heterostrukturer med grafen. Slike systemer kan brukes i utviklingen av nye typer todimensjonale elementer brukt i nanoteknologi, fleksibel og bærbar elektronikk, samt nye typer halvledere.
Forskerne mener selv at utviklingen deres kan være et kraftig fremstøt for elektronikkrelaterte teknologier. Imidlertid er det fortsatt vanskelig å si sikkert at deres ord vil bli profetiske. For øyeblikket er det fortsatt mye som skal forskes på, forstås og oppfinnes, slik at de science fiction-ideene som fyller hodet til vitenskapsmenn blir en fullverdig realitet.
Takk for at du leser, vær nysgjerrig og ha en flott uke folkens. 🙂
Takk for at du bor hos oss. Liker du artiklene våre? Vil du se mer interessant innhold? Støtt oss ved å legge inn en bestilling eller anbefale til venner, 30 % rabatt for Habr-brukere på en unik analog av inngangsnivåservere, som ble oppfunnet av oss for deg: (tilgjengelig med RAID1 og RAID10, opptil 24 kjerner og opptil 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 ganger billigere? Bare her i Nederland! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - fra $99! Lese om
Kilde: www.habr.com