„Mutacja jest kluczem do rozwikłania tajemnicy ewolucji. Droga rozwoju od najprostszego organizmu do dominującego gatunku biologicznego trwa tysiące lat. Ale co sto tysięcy lat następuje gwałtowny krok w ewolucji” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Jeśli odrzucimy wszystkie elementy science-fiction obecne w komiksach i filmach, to słowa Profesora X są w pełni prawdziwe. Rozwój czegoś przez większość czasu przebiega równomiernie, ale czasami zdarzają się skoki, które mają ogromny wpływ na cały proces. Dotyczy to nie tylko ewolucji gatunków, ale także ewolucji technologii, której głównym motorem napędowym są ludzie, ich badania i wynalazki. Dziś poznamy badanie, które zdaniem jego autorów stanowi prawdziwy skok ewolucyjny w nanotechnologii. Jak naukowcom z Northwestern University (USA) udało się stworzyć nową dwuwymiarową heterostrukturę, dlaczego jako podstawę wybrano grafen i borofen i jakie właściwości może mieć taki układ? Powie nam o tym raport grupy badawczej. Iść.
Baza badawcza
Wielokrotnie słyszeliśmy określenie „grafen” – jest to dwuwymiarowa modyfikacja węgla, składająca się z warstwy atomów węgla o grubości 1 atomu. Ale „borofen” jest niezwykle rzadki. Termin ten odnosi się do dwuwymiarowego kryształu składającego się wyłącznie z atomów boru (B). Możliwość istnienia borofenu po raz pierwszy przewidywano już w połowie lat 90., jednak w praktyce strukturę tę udało się uzyskać dopiero w 2015 roku.
Struktura atomowa borofenu składa się z elementów trójkątnych i heksagonalnych i jest konsekwencją oddziaływania między dwucentrowymi i wieloośrodkowymi wiązaniami w płaszczyźnie, co jest bardzo typowe dla pierwiastków z niedoborem elektronów, do których zalicza się bor.
*Przez wiązania dwucentrowe i wieloośrodkowe rozumiemy wiązania chemiczne - interakcje atomów, które charakteryzują stabilność cząsteczki lub kryształu jako pojedynczej struktury. Na przykład dwuśrodkowe wiązanie dwuelektronowe występuje, gdy 2 atomy dzielą 2 elektrony, a dwuśrodkowe wiązanie trójelektronowe występuje, gdy 2 atomy i 3 elektrony itd.
Z fizycznego punktu widzenia borofen może być mocniejszy i bardziej elastyczny niż grafen. Uważa się również, że struktury borofenowe mogą stanowić skuteczne uzupełnienie akumulatorów, ponieważ borofen ma wysoką pojemność właściwą oraz wyjątkowe właściwości w zakresie przewodności elektronicznej i transportu jonów. Jednak w tej chwili jest to tylko teoria.
Bycie pierwiastek trójwartościowy*bor ma co najmniej 10 alotropy*. W formie dwuwymiarowej, podobnie wielopostaciowość* jest również obserwowane.
Pierwiastek trójwartościowy* zdolny do tworzenia trzech wiązań kowalencyjnych, których wartościowość wynosi trzy.
Alotropia* - gdy jeden pierwiastek chemiczny może występować w postaci dwóch lub więcej prostych substancji. Przykładowo węgiel - diament, grafen, grafit, nanorurki węglowe itp.
Wielopostaciowość* - zdolność substancji do istnienia w różnych strukturach krystalicznych (modyfikacje polimorficzne). W przypadku substancji prostych termin ten jest synonimem alotropii.
Biorąc pod uwagę ten szeroki polimorfizm, sugeruje się, że borofen może być doskonałym kandydatem do tworzenia nowych dwuwymiarowych heterostruktur, ponieważ różne konfiguracje wiązań boru powinny złagodzić wymagania dotyczące dopasowania sieci. Niestety, problem ten był dotychczas badany wyłącznie na poziomie teoretycznym ze względu na trudności w syntezie.
W przypadku konwencjonalnych materiałów 2D uzyskanych z kryształów warstwowych w masie, pionowe heterostruktury można zrealizować za pomocą mechanicznego układania w stosy. Z drugiej strony dwuwymiarowe heterostruktury boczne opierają się na syntezie oddolnej. Atomowo precyzyjne heterostruktury boczne mają ogromny potencjał w rozwiązywaniu problemów związanych z kontrolą funkcjonalną heterozłączy, jednak ze względu na wiązania kowalencyjne niedoskonałe dopasowanie sieci zwykle skutkuje szerokimi i nieuporządkowanymi interfejsami. Jest więc potencjał, ale są też problemy z jego wykorzystaniem.
W ramach tej pracy naukowcom udało się zintegrować borofen i grafen w jedną dwuwymiarową heterostrukturę. Pomimo niedopasowania sieci krystalograficznej i symetrii między borofenem i grafenem, sekwencyjne osadzanie węgla i boru na podłożu Ag(111) w ultrawysokiej próżni (UHV) skutkuje niemal atomowo precyzyjnymi bocznymi heterointerfejsami z przewidywanymi ułożeniami sieci, a także heterointerfejsami pionowymi .
Przygotowanie do badania
Przed zbadaniem heterostruktury należało ją wytworzyć. Hodowlę grafenu i borofenu przeprowadzono w komorze ultrawysokiej próżni o ciśnieniu 1x10-10 milibarów.
Podłoże monokrystaliczne Ag(111) oczyszczono za pomocą powtarzanych cykli napylania Ar+ (1 x 10-5 milibarów, 800 eV, 30 minut) i wyżarzania termicznego (550°C, 45 minut) w celu uzyskania atomowo czystego i płaskiego Ag( 111) powierzchnia. .
Grafen hodowano poprzez odparowanie wiązką elektronów czystego (99,997%) pręta grafitowego o średnicy 2.0 mm na podłożu Ag (750) podgrzanym do temperatury 111 °C przy prądzie grzejnym ~ 1.6 A i napięciu przyspieszającym ~ 2 kV , co daje prąd emisji ~70 mA i strumień węgla ~40 nA. Ciśnienie w komorze wynosiło 1 x 10-9 milibarów.
Borofen hodowano poprzez odparowanie wiązką elektronów czystego (99,9999%) pręta boru na grafenie submonowarstwowym na Ag (400) podgrzanym do 500-111 ° C. Prąd żarnika wynosił ~1.5 A, a napięcie przyspieszające 1.75 kV, co daje prąd emisji ~34 mA i strumień boru ~10 nA. Ciśnienie w komorze podczas wzrostu borofenu wynosiło w przybliżeniu 2 x 10-10 milibarów.
Wyniki badania
Obraz nr 1
Na obrazie 1А pokazane STM* migawka wyhodowanego grafenu, gdzie domeny grafenu najlepiej zwizualizować za pomocą mapy dI/dV (1V) gdzie I и V są prądem tunelowym i przemieszczeniem próbki, oraz d - gęstość.
STM* - Skanowanie mikroskopu tunelującego.
dI/dV mapy próbki pozwoliły zaobserwować większą gęstość lokalną stanów grafenu w porównaniu z podłożem Ag(111). Zgodnie z wcześniejszymi badaniami stan powierzchniowy Ag (111) ma charakterystykę schodkową, przesuniętą w stronę energii dodatnich o dI/dV widmo grafenu (1S), co wyjaśnia większą gęstość lokalną stanów grafenu 1V przy 0.3 eV.
Na obrazie 1D widzimy strukturę jednowarstwowego grafenu, w którym siatka plastra miodu i nadbudowa mory*.
Nadbudowa* - cecha struktury związku krystalicznego, która powtarza się w określonych odstępach czasu i w ten sposób tworzy nową strukturę o innym okresie przemienności.
Mora* - nałożenie na siebie dwóch okresowych wzorów siatki.
W niższych temperaturach wzrost prowadzi do powstania dendrytycznych i wadliwych domen grafenowych. Ze względu na słabe interakcje między grafenem a podłożem, rotacyjne ustawienie grafenu w stosunku do bazowego Ag (111) nie jest wyjątkowe.
Po osadzeniu boru skaningowa mikroskopia tunelowa (1E) wykazało obecność kombinacji domen borofenu i grafenu. Na obrazie widoczne są również obszary wewnątrz grafenu, które później zidentyfikowano jako grafen interkalowany borofenem (pokazane na obrazku gr./B). W tym obszarze wyraźnie widoczne są także elementy liniowe zorientowane w trzech kierunkach i oddzielone od siebie kątem 120° (żółte strzałki).
Obraz nr 2
Zdjęcie włączone 2АJak 1Epotwierdzają pojawienie się zlokalizowanych ciemnych wgłębień w grafenie po osadzeniu się boru.
Aby lepiej zbadać te formacje i poznać ich pochodzenie, wykonano kolejną fotografię tego samego obszaru, ale z wykorzystaniem map |dlnI/dz| (2B), gdzie I — prąd tunelowy, d jest gęstością, oraz z — separacja sonda-próbka (odstęp pomiędzy igłą mikroskopu a próbką). Zastosowanie tej techniki umożliwia uzyskanie obrazów o dużej rozdzielczości przestrzennej. Można w tym celu także użyć CO lub H2 na igle mikroskopu.
Изображение 2S to obraz uzyskany przy użyciu STM, którego końcówka została pokryta CO. Porównanie obrazów А, В и С pokazuje, że wszystkie pierwiastki atomowe są zdefiniowane jako trzy sąsiadujące ze sobą jasne sześciokąty skierowane w dwóch nierównoważnych kierunkach (na zdjęciach czerwone i żółte trójkąty).
Powiększone obrazy tego obszaru (2D) potwierdzają, że pierwiastki te zgadzają się z zanieczyszczeniami domieszkami boru, zajmując dwie podsieci grafenowe, na co wskazują nałożone na siebie struktury.
Powłoka CO igły mikroskopu umożliwiła ukazanie geometrycznej struktury arkusza borofenu (2E), co byłoby niemożliwe, gdyby igła była standardowa (metalowa) bez powłoki CO.
Obraz nr 3
Tworzenie bocznych heterointerfejsów między borofenem i grafenem (3А) powinno nastąpić, gdy borofen rośnie obok domen grafenowych, które już zawierają bor.
Naukowcy przypominają, że boczne heterointerfejsy na bazie grafenu-hBN (grafen + azotek boru) mają konsystencję sieciową, a heterozłącza oparte na dichalkogenkach metali przejściowych mają konsystencję symetrii. W przypadku grafenu/borofenu sytuacja jest nieco inna – wykazują one minimalne podobieństwo strukturalne pod względem stałych sieciowych czy symetrii kryształów. Jednak pomimo tego boczny heterointerfejs grafen/borofen wykazuje niemal idealną konsystencję atomową, przy czym kierunki rzędu boru (rząd B) są wyrównane z kierunkami zygzaka (ZZ) grafenu (3А) Na 3V pokazano powiększony obraz obszaru ZZ heterointerfejsu (niebieskie linie wskazują elementy międzyfazowe odpowiadające wiązaniom kowalencyjnym bor-węgiel).
Ponieważ borofen rośnie w niższej temperaturze w porównaniu z grafenem, jest mało prawdopodobne, aby krawędzie domeny grafenu miały dużą ruchliwość podczas tworzenia heterointerfejsu z borofenem. Dlatego prawie atomowo precyzyjny heterointerfejs jest prawdopodobnie wynikiem różnych konfiguracji i właściwości wielomiejscowych wiązań boru. Widma skaningowej spektroskopii tunelowej (3S) i różnicowa przewodność tunelowa (3D) pokazują, że przejście elektronowe z grafenu do borofenu zachodzi na dystansie ~5 Å bez widocznych stanów interfejsu.
Na obrazie 3E Pokazano trzy widma skaningowej spektroskopii tunelowej wykonane wzdłuż trzech linii przerywanych w 3D, które potwierdzają, że to krótkie przejście elektronowe jest niewrażliwe na lokalne struktury międzyfazowe i jest porównywalne z tym na granicy faz borofen-srebro.
Obraz nr 4
Grafen wtręt* był również wcześniej szeroko badany, ale konwersja interkalantów w prawdziwe arkusze 2D jest stosunkowo rzadka.
Wtręt* - odwracalne włączenie cząsteczki lub grupy cząsteczek pomiędzy inne cząsteczki lub grupy cząsteczek.
Mały promień atomowy boru i słabe oddziaływanie grafenu i Ag(111) sugerują możliwą interkalację grafenu z borem. Na obrazku 4А przedstawiono dowody nie tylko na interkalację boru, ale także na powstawanie pionowych heterostruktur borofen-grafen, zwłaszcza domen trójkątnych otoczonych grafenem. Siatka plastra miodu zaobserwowana na tej trójkątnej domenie potwierdza obecność grafenu. Jednakże grafen ten wykazuje niższą lokalną gęstość stanów przy -50 meV w porównaniu z otaczającym grafenem (4V). W porównaniu z grafenem bezpośrednio na Ag(111) nie ma dowodów na dużą lokalną gęstość stanów w widmie dI/dV (4C, niebieska krzywa), odpowiadająca stanowi powierzchni Ag(111), jest pierwszym dowodem interkalacji boru.
Ponadto, zgodnie z oczekiwaniami w przypadku częściowej interkalacji, sieć grafenowa pozostaje ciągła na całej bocznej granicy między grafenem a obszarem trójkątnym (4D - odpowiada prostokątnemu obszarowi na 4А, zakreślone czerwoną przerywaną linią). Obraz przy użyciu CO na igle mikroskopu również potwierdził obecność zanieczyszczeń substytucyjnych borem (4E - odpowiada prostokątnemu obszarowi na 4А, zakreślone żółtą przerywaną linią).
Do analizy wykorzystano także igły mikroskopowe bez powłoki. W tym przypadku w interkalowanych domenach grafenu ujawniono znaki jednowymiarowych elementów liniowych o okresowości 5 Å (4F и 4G). Te jednowymiarowe struktury przypominają rzędy boru w modelu borofenowym. Oprócz zbioru punktów odpowiadających grafenowi, transformata Fouriera obrazu 4G wyświetla parę punktów ortogonalnych odpowiadających prostokątnej siatce o wymiarach 3 Å x 5 Å (4H), co doskonale zgadza się z modelem borofenowym. Ponadto zaobserwowana potrójna orientacja układu elementów liniowych (1E) dobrze zgadza się z tą samą dominującą strukturą obserwowaną w przypadku arkuszy borofenu.
Wszystkie te obserwacje silnie sugerują interkalację grafenu przez borofen w pobliżu krawędzi Ag, co w konsekwencji prowadzi do powstania pionowych heterostruktur borofen-grafen, co można korzystnie zrealizować poprzez zwiększenie początkowego pokrycia grafenem.
4I jest schematycznym przedstawieniem pionowej heterostruktury na 4H, gdzie kierunek rzędu boru (różowa strzałka) jest ściśle zgodny z zygzakowatym kierunkiem grafenu (czarna strzałka), tworząc w ten sposób obrotowo proporcjonalną pionową heterostrukturę.
Aby uzyskać bardziej szczegółową znajomość niuansów badania, polecam przyjrzeć się и do niego.
Epilog
Badanie to wykazało, że borofen jest w stanie tworzyć z grafenem heterostruktury boczne i pionowe. Układy takie można wykorzystać przy opracowywaniu nowych typów elementów dwuwymiarowych stosowanych w nanotechnologii, elastycznej i ubieralnej elektronice, a także nowych typów półprzewodników.
Sami badacze uważają, że ich rozwój może stanowić potężny impuls do rozwoju technologii związanych z elektroniką. Trudno jednak nadal powiedzieć z całą pewnością, że ich słowa okażą się prorocze. W tej chwili jest jeszcze wiele do zbadania, zrozumienia i wynalezienia, aby idee science fiction, które wypełniają umysły naukowców, stały się pełnoprawną rzeczywistością.
Dziękuję za przeczytanie, bądźcie ciekawi i miłego tygodnia, chłopaki. 🙂
Dziękujemy za pobyt z nami. Podobają Ci się nasze artykuły? Chcesz zobaczyć więcej ciekawych treści? Wesprzyj nas składając zamówienie lub polecając znajomym, 30% zniżki dla użytkowników Habr na unikalny odpowiednik serwerów klasy podstawowej, który został przez nas wymyślony dla Ciebie: (dostępne z RAID1 i RAID10, do 24 rdzeni i do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 razy tańszy? Tylko tutaj w Holandii! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2 GHz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gb/s 100 TB — od 99 USD! Czytać o
Źródło: www.habr.com