“A mutação é a chave para desvendar o mistério da evolução. O caminho de desenvolvimento do organismo mais simples até a espécie biológica dominante dura milhares de anos. Mas a cada cem mil anos há um salto acentuado na evolução" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Se descartarmos todos os elementos de ficção científica presentes nos quadrinhos e nos filmes, então as palavras do Professor X são bastante verdadeiras. O desenvolvimento de algo ocorre de maneira uniforme na maioria das vezes, mas às vezes há saltos que têm um impacto enorme em todo o processo. Isto aplica-se não só à evolução das espécies, mas também à evolução da tecnologia, cujo principal motor são as pessoas, as suas investigações e invenções. Hoje conheceremos um estudo que, segundo seus autores, representa um verdadeiro salto evolutivo na nanotecnologia. Como os cientistas da Northwestern University (EUA) conseguiram criar uma nova heteroestrutura bidimensional, por que o grafeno e o borofeno foram escolhidos como base e quais propriedades tal sistema poderia ter? O relatório do grupo de pesquisa nos dirá sobre isso. Ir.
Base do estudo
Já ouvimos o termo “grafeno” muitas vezes; é uma modificação bidimensional do carbono, consistindo em uma camada de átomos de carbono com 1 átomo de espessura. Mas o “borofeno” é extremamente raro. Este termo refere-se a um cristal bidimensional que consiste apenas em átomos de boro (B). A possibilidade da existência do borofeno foi prevista pela primeira vez em meados da década de 90, mas na prática só foi possível obter essa estrutura em 2015.
A estrutura atômica do borofeno consiste em elementos triangulares e hexagonais e é uma consequência da interação entre ligações no plano bicêntricas e multicêntricas, o que é muito típico de elementos deficientes em elétrons, que incluem o boro.
*Por ligações bicêntricas e multicêntricas entendemos ligações químicas - interações de átomos que caracterizam a estabilidade de uma molécula ou cristal como uma estrutura única. Por exemplo, uma ligação de dois centros e dois elétrons ocorre quando 2 átomos compartilham 2 elétrons, e uma ligação de dois centros e três elétrons ocorre quando 2 átomos e 3 elétrons, etc.
Do ponto de vista físico, o borofeno pode ser mais forte e flexível que o grafeno. Acredita-se também que as estruturas de borofeno poderiam ser um complemento eficaz para baterias porque o borofeno tem alta capacidade específica e condutividade eletrônica única e propriedades de transporte de íons. No entanto, no momento isso é apenas uma teoria.
Ser elemento trivalente*, o boro tem pelo menos 10 alótropos*. Na forma bidimensional, semelhante polimorfismo* também é observado.
Elemento trivalente* capaz de formar três ligações covalentes, cuja valência é três.
Alotropia* - quando um elemento químico pode apresentar-se na forma de duas ou mais substâncias simples. Como exemplo, carbono – diamante, grafeno, grafite, nanotubos de carbono, etc.
Polimorfismo* - a capacidade de uma substância existir em diferentes estruturas cristalinas (modificações polimórficas). No caso de substâncias simples, este termo é sinônimo de alotropia.
Dado este amplo polimorfismo, sugere-se que o borofeno pode ser um excelente candidato para a criação de novas heteroestruturas bidimensionais, uma vez que diferentes configurações de ligação de boro devem relaxar os requisitos de correspondência de rede. Infelizmente, esta questão foi anteriormente estudada exclusivamente a nível teórico devido a dificuldades de síntese.
Para materiais 2D convencionais obtidos a partir de cristais em camadas a granel, heteroestruturas verticais podem ser realizadas usando empilhamento mecânico. Por outro lado, as heteroestruturas laterais bidimensionais são baseadas na síntese bottom-up. Heteroestruturas laterais atomicamente precisas têm grande potencial na resolução de problemas de controle funcional de heterojunção, no entanto, devido à ligação covalente, a correspondência imperfeita da rede normalmente resulta em interfaces amplas e desordenadas. Portanto, existe potencial, mas também existem problemas em concretizá-lo.
Neste trabalho, os pesquisadores conseguiram integrar o borofeno e o grafeno em uma heteroestrutura bidimensional. Apesar da incompatibilidade e simetria da rede cristalográfica entre borofeno e grafeno, a deposição sequencial de carbono e boro em um substrato Ag (111) sob ultra-alto vácuo (UHV) resulta em heterointerfaces laterais quase atomicamente precisas com alinhamentos de rede previstos, bem como heterointerfaces verticais .
Preparação do estudo
Antes de estudar a heteroestrutura, ela teve que ser fabricada. O crescimento do grafeno e do borofeno foi realizado em câmara de ultra-alto vácuo com pressão de 1x10-10 milibares.
O substrato de cristal único Ag(111) foi limpo por ciclos repetidos de pulverização catódica de Ar+ (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minutos) e recozimento térmico (550 °C, 45 minutos) para obter um Ag( 111) superfície.
O grafeno foi cultivado por evaporação por feixe de elétrons de uma haste de grafite pura (99,997%) com diâmetro de 2.0 mm em um substrato Ag (750) aquecido a 111 ° C a uma corrente de aquecimento de ~ 1.6 A e uma tensão de aceleração de ~ 2 kV , o que fornece uma corrente de emissão de ~ 70 mA e um fluxo de carbono de ~ 40 nA. A pressão na câmara era de 1 x 10-9 milibares.
O borofeno foi cultivado através de evaporação por feixe de elétrons de um bastão de boro puro (99,9999%) em grafeno submonocamada em Ag (400) aquecido a 500-111 °C. A corrente do filamento foi de ~1.5 A e a tensão de aceleração foi de 1.75 kV, o que dá uma corrente de emissão de ~34 mA e um fluxo de boro de ~10 nA. A pressão na câmara durante o crescimento do borofeno foi de aproximadamente 2 x 10-10 milibares.
Resultados do estudo
Imagem nº 1
na imagem 1А mostrando STM* um instantâneo do grafeno cultivado, onde os domínios do grafeno são melhor visualizados usando um mapa dI/dV (1V), Onde I и V são a corrente de tunelamento e o deslocamento da amostra, e d - densidade.
STM* - Microscópio de tunelamento de varredura.
dI/dV mapas da amostra nos permitiram ver uma maior densidade local de estados de grafeno em comparação com o substrato Ag (111). De acordo com estudos anteriores, o estado superficial de Ag (111) tem uma característica de passo, deslocado para energias positivas por dI/dV espectro de grafeno (1S), o que explica a maior densidade local de estados de grafeno em 1V a 0.3 eV.
na imagem 1D podemos ver a estrutura do grafeno de camada única, onde a rede em favo de mel e superestrutura moiré*.
Superestrutura* - uma característica da estrutura de um composto cristalino que se repete em um determinado intervalo e, assim, cria uma nova estrutura com um período de alternância diferente.
Moiré* - sobreposição de dois padrões de malha periódica um sobre o outro.
Em temperaturas mais baixas, o crescimento leva à formação de domínios dendríticos e defeituosos de grafeno. Devido às fracas interações entre o grafeno e o substrato subjacente, o alinhamento rotacional do grafeno em relação ao Ag (111) subjacente não é único.
Após a deposição de boro, microscopia de varredura por tunelamento (1E) mostrou a presença de uma combinação dos domínios borofeno e grafeno. Também visíveis na imagem estão regiões no interior do grafeno, que posteriormente foram identificadas como grafeno intercalado com borofeno (indicado na imagem Gr/B). Elementos lineares orientados em três direções e separados por um ângulo de 120° também são claramente visíveis nesta área (setas amarelas).
Imagem nº 2
Foto ativada 2АComo 1E, confirmam o aparecimento de depressões escuras localizadas no grafeno após a deposição de boro.
Para melhor examinar estas formações e descobrir a sua origem, foi tirada outra fotografia da mesma área, mas utilizando mapas |dlnI/dz| (2B), onde I — corrente do túnel, d é a densidade e z — separação sonda-amostra (o espaço entre a agulha do microscópio e a amostra). A utilização desta técnica possibilita a obtenção de imagens com alta resolução espacial. Você também pode usar CO ou H2 na agulha do microscópio para isso.
imagem 2S é uma imagem obtida usando um STM cuja ponta foi revestida com CO. Comparação de imagens А, В и С mostra que todos os elementos atômicos são definidos como três hexágonos brilhantes adjacentes direcionados em duas direções não equivalentes (triângulos vermelhos e amarelos nas fotografias).
Imagens ampliadas desta área (2D) confirmam que esses elementos estão de acordo com as impurezas dopantes de boro, ocupando duas sub-redes de grafeno, conforme indicado pelas estruturas sobrepostas.
O revestimento de CO da agulha do microscópio permitiu revelar a estrutura geométrica da folha de borofeno (2E), o que seria impossível se a agulha fosse padrão (metal) sem revestimento de CO.
Imagem nº 3
Formação de heterointerfaces laterais entre borofeno e grafeno (3А) deve ocorrer quando o borofeno cresce próximo a domínios de grafeno que já contêm boro.
Os cientistas lembram que as heterointerfaces laterais baseadas em grafeno-hBN (grafeno + nitreto de boro) têm consistência de rede, e as heterojunções baseadas em dichalcogenetos de metais de transição têm consistência de simetria. No caso do grafeno/borofeno, a situação é um pouco diferente - eles têm semelhança estrutural mínima em termos de constantes de rede ou simetria cristalina. No entanto, apesar disso, a heterointerface lateral grafeno/borofeno demonstra consistência atômica quase perfeita, com as direções da linha de boro (linha B) alinhadas com as direções em zigue-zague (ZZ) do grafeno (3А) Em 3V é mostrada uma imagem ampliada da região ZZ da heterointerface (linhas azuis indicam elementos interfaciais correspondentes a ligações covalentes boro-carbono).
Como o borofeno cresce a uma temperatura mais baixa em comparação com o grafeno, é improvável que as bordas do domínio do grafeno tenham alta mobilidade ao formar uma heterointerface com o borofeno. Portanto, a heterointerface quase atomicamente precisa é provavelmente o resultado de diferentes configurações e características de ligações multissítios de boro. Espectros de espectroscopia de tunelamento de varredura (3S) e condutividade diferencial do túnel (3D) mostram que a transição eletrônica do grafeno para o borofeno ocorre a uma distância de ~ 5 Å sem estados de interface visíveis.
na imagem 3E São mostrados três espectros de espectroscopia de tunelamento de varredura obtidos ao longo das três linhas tracejadas em 3D, que confirmam que esta curta transição eletrônica é insensível às estruturas interfaciais locais e é comparável àquela nas interfaces borofeno-prata.
Imagem nº 4
Grafeno intercalação* também já foi amplamente estudado, mas a conversão de intercalantes em verdadeiras folhas 2D é relativamente rara.
Intercalação* - inclusão reversível de uma molécula ou grupo de moléculas entre outras moléculas ou grupos de moléculas.
O pequeno raio atômico do boro e a fraca interação entre o grafeno e Ag(111) sugerem possível intercalação do grafeno com o boro. Na imagem 4А são apresentadas evidências não apenas da intercalação de boro, mas também da formação de heteroestruturas verticais de borofeno-grafeno, especialmente domínios triangulares cercados por grafeno. A rede em favo de mel observada neste domínio triangular confirma a presença de grafeno. No entanto, este grafeno exibe uma densidade local de estados mais baixa a -50 meV em comparação com o grafeno circundante (4V). Comparado ao grafeno diretamente no Ag(111), não há evidência de uma alta densidade local de estados no espectro dI/dV (4C, curva azul), correspondente ao estado de superfície Ag(111), é a primeira evidência de intercalação de boro.
Além disso, como esperado para intercalação parcial, a rede de grafeno permanece contínua ao longo da interface lateral entre o grafeno e a região triangular (4D - corresponde a uma área retangular em 4А, circulado na linha pontilhada vermelha). Uma imagem usando CO em uma agulha de microscópio também confirmou a presença de impurezas de substituição de boro (4E - corresponde a uma área retangular em 4А, circulado em linha pontilhada amarela).
Agulhas de microscópio sem qualquer revestimento também foram utilizadas durante a análise. Neste caso, sinais de elementos lineares unidimensionais com periodicidade de 5 Å foram revelados nos domínios intercalados de grafeno (4F и 4G). Estas estruturas unidimensionais assemelham-se às linhas de boro no modelo do borofeno. Além do conjunto de pontos correspondentes ao grafeno, a transformada de Fourier da imagem em 4G exibe um par de pontos ortogonais correspondentes a uma rede retangular de 3 Å x 5 Å (4H), o que está em excelente concordância com o modelo do borofeno. Além disso, a orientação tripla observada da matriz de elementos lineares (1E) concorda bem com a mesma estrutura predominante observada para folhas de borofeno.
Todas essas observações sugerem fortemente a intercalação do grafeno pelo borofeno próximo às bordas de Ag, o que consequentemente leva à formação de heteroestruturas verticais de borofeno-grafeno, que podem ser realizadas com vantagem aumentando a cobertura inicial do grafeno.
4I é uma representação esquemática de uma heteroestrutura vertical em 4H, onde a direção da linha de boro (seta rosa) está intimamente alinhada com a direção em zigue-zague do grafeno (seta preta), formando assim uma heteroestrutura vertical rotacionalmente proporcional.
Para uma compreensão mais detalhada das nuances do estudo, recomendo dar uma olhada em и para ele.
Epílogo
Este estudo mostrou que o borofeno é bastante capaz de formar heteroestruturas laterais e verticais com o grafeno. Tais sistemas podem ser utilizados no desenvolvimento de novos tipos de elementos bidimensionais utilizados em nanotecnologia, eletrônica flexível e vestível, bem como novos tipos de semicondutores.
Os próprios investigadores acreditam que o seu desenvolvimento poderá ser um poderoso impulso para as tecnologias relacionadas com a electrónica. No entanto, ainda é difícil dizer com certeza que as suas palavras se tornarão proféticas. No momento, ainda há muito a ser pesquisado, compreendido e inventado para que aquelas ideias de ficção científica que preenchem as mentes dos cientistas se tornem uma realidade plena.
Obrigado pela leitura, fiquem curiosos e tenham uma ótima semana pessoal. 🙂
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Fonte: habr.com