„Mutația este cheia pentru dezvăluirea misterului evoluției. Calea de dezvoltare de la un organism unicelular până la specia biologică dominantă durează mii de ani. Dar la fiecare sută de mii de ani, evoluția face un salt brusc înainte” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Dacă eliminăm toate elementele de science fiction din benzile desenate și filme, cuvintele profesorului X sunt destul de adevărate. Dezvoltarea oricărui lucru decurge uniform pentru cea mai mare parte a timpului, dar uneori apar salturi care au un impact uriaș asupra întregului proces. Acest lucru se aplică nu doar evoluției speciilor, ci și evoluției tehnologiilor, principalul motor al căreia sunt oamenii, cercetările și invențiile lor. Astăzi ne vom familiariza cu o cercetare care, conform autorilor săi, este o adevărată salt evolutiv în nanotecnologie. Cum au reușit cercetătorii de la Universitatea Northwestern (SUA) să creeze o nouă heterostructură bidimensională, de ce au fost alese grafenul și borofenul ca baze și ce proprietăți poate avea un astfel de sistem? Asta ne va povesti raportul grupului de cercetare. Să începem.
Baza cercetării
Am auzit de foarte multe ori termenul „grafen” — acesta este o modificare bidimensională a carbonului, formată dintr-un strat de atomi de carbon având grosimea de 1 atom. Însă „borofen” apare extrem de rar. Acest termen se referă la un cristal bidimensional, format exclusiv din atomi de bor (B). Prima dată, posibilitatea existenței borofenului a fost prezisă încă la mijlocul anilor '90, dar obținerea în practică a acestei structuri a fost posibilă doar începând din 2015.
Structura atomică a borofenului este compusă din elemente triangulare și hexagonale și rezultă din interacțiunile între legăturile intra-planare bi- și multi-centru, caracteristice elementelor cu deficit de electroni, așa cum este borul.
*Prin legături bi- și multi-centru se înțeleg legăturile chimice — interacțiunile atomilor, care caracterizează stabilitatea moleculei sau a cristalului ca o structură unitară. De exemplu, o legătură bi-centru cu două electroni apare atunci când 2 atomi își împărtășesc între ei 2 electroni, iar o legătură bi-centru cu trei electroni — când 2 atomi și 3 electroni etc.
Din punct de vedere fizic, borofenul poate fi mai rezistent și flexibil în comparație cu grafenul. De asemenea, se consideră că structurile de borofen pot fi un complement eficient pentru baterii, deoarece borofenul are o capacitate specifică ridicată și proprietăți unice de conductivitate electronică și transfer de ioni. Cu toate acestea, în acest moment, aceasta este doar o teorie.
Fiind un element trivalent*, borul are cel puțin 10 alotrope*. În formă bidimensională, un astfel de polimorfism* este de asemenea observat.
Elementul trivalent* este capabil să formeze trei legături covalente, valența acestora fiind egală cu trei.
Alotropia* reprezintă situația în care un element chimic poate fi prezent sub forma a două sau mai multe substanțe simple. De exemplu, carbonul este reprezentat prin diamant, grafen, grafit, nanotuburi de carbon etc.
Polimorfismul* este abilitatea unei substanțe de a exista în diferite structuri cristaline (modificări polimorfe). În cazul substanțelor simple, acest termen este sinonim cu alotropia.
Având în vedere un astfel de polimorfism extins, se sugerează că borofenul ar putea fi un candidat excelent pentru crearea de noi heterostructuri bidimensionale, deoarece diferitele configurații ale legăturilor de bor ar trebui să reducă cerințele de adaptare a rețelei cristaline. Din păcate, această problemă a fost studiată anterior exclusiv la nivel teoretic din cauza dificultăților de sinteză.
Pentru materialele 2D obișnuite, obținute din cristale stratificate volumetrice, heterostructurile verticale pot fi realizate prin așezare mecanică. Pe de altă parte, heterostructurile laterale bidimensionale sunt bazate pe sinteza ascendentă. Heterostructurile laterale cu precizie atomică au un potențial mare în rezolvarea problemelor de control al capacităților funcționale ale heterojoncțiunii, totuși, din cauza legăturii covalente, o adaptare incompletă a rețelei duce de obicei la interfețe largi și dezordonate. Prin urmare, există potențial, dar și probleme în realizarea acestuia.
În această lucrare, cercetătorii au reușit să integreze borofenul și grafenul într-o heterostructură bidimensională. În ciuda necorespunderii rețelelor cristalografice și simetriilor între borofen și grafen, depunerea consecutivă de carbon și bor pe un substrat de Ag(111) într-un vid ultra-înalțat (UHV) duce la frontiere laterale de heterointerfață aproape atomice cu aliniamentele de rețea preconizate, precum și la heterointerfațe verticale.
Pregătire pentru cercetare
Înainte de a studia heterostructura, aceasta a trebuit să fie fabricată. Creșterea grafenului și borofenului a avut loc într-o cameră de vid ultra-înalțat cu o presiune de 1x10-10 milibar.
Substratul monocristalin de Ag(111) a fost curățat prin cicluri repetate de pulverizare cu Ar+ (1 x 10-5 milibar, energie de 800 eV, 30 de minute) și recristalizare termică (550 °C, 45 de minute) pentru a obține o suprafață atomar curată și plată de Ag(111).
Creșterea grafenului a fost realizată prin evaporare prin fascicul electronic a unui tija de grafit pur (99,997%) cu un diametru de 2.0 mm pe un substrat Ag (111) încălzit la 750 °C cu un curent de incandescență de ~ 1.6 A și o tensiune de accelerație de ~ 2 kV, obținând astfel un curent de emisie de ~ 70 mA și un flux de carbon de ~ 40 nA. Presiunea din cameră era de 1 x 10-9 milibar.
Creșterea borofenului s-a realizat prin evaporare prin fascicul electronic a unei tija de bor pur (99,9999%) pe un grafen submonosor încălzit la 400-500 °C pe Ag (111). Curentul de incandescență a fost de ~ 1.5 A, iar tensiunea de accelerație de 1.75 kV, obținând astfel un curent de emisie de ~ 34 mA și un flux de bor de ~ 10 nA. Presiunea din cameră în timpul creșterii borofenului a fost de aproximativ 2 x 10-10 milibar.
Rezultatele cercetării
Imaginea nr. 1
În imaginea 1A aratat STM* imagine a grafenului crescut, unde domeniile de grafen sunt vizualizate cel mai bine prin intermediul unei hărți dI/dV (1B), unde I și V — curentul de tunel și deplasarea probei, iar d — densitatea.
STM* — microscopul cu tunelare prin scanning.
dI/dV hărțile probei au permis observarea unei densități locale mai mari a stărilor grafenului în comparație cu substratul Ag (111). Conform studiilor anterioare, starea de suprafață a Ag (111) are o caracteristică în trepte, deplasată spre energii pozitive pe dI/dV spectrul grafenului (1C), ceea ce explică densitatea locală mai mare a stărilor grafenului pe 1B la 0.3 eV.
În imaginea 1D putem observa structura grafenului monostrat, unde rețeaua hexagonală este evidentă și strucură moiré*.
Suprafață* — o particularitate a structurii unui compus cristalin, care se repetă la un interval fix și creează astfel o nouă structură cu un alt interval de alternanță.
Moaré* — suprapunerea a două modele periodice de plasă unul peste altul.
La temperaturi mai scăzute, creșterea duce la formarea de domenii dendritice și defecte de grafen. Datorită interacțiunilor slabe între grafen și substratul de dedesubt, alinierea de rotație a grafenului față de Ag (111) subiacente nu este unică.
După depunerea borului, microscopie de tunelare cu scanare (1E) a arătat prezența unei combinații de domenii de borofen și grafen. De asemenea, în imagine se pot observa zone din interiorul grafenului, care ulterior au fost definite ca grafen intercalat cu borofen (marcat în imagine Gr/B). În această zonă sunt de asemenea vizibile foarte bine elementele liniare, orientate în trei direcții și separate printr-un unghi de 120° (săgețile galbene).
Imaginea nr. 2
Imaginea de pe 2A, la fel ca și 1E, confirmă apariția de adâncituri întunecate (depresiuni) localizate în grafen după depunerea borului.
Pentru a examina mai bine aceste forme și a afla originea lor, a fost realizată o altă imagine a aceleași zone, dar folosind hărți |dlnI/dz| (2В), где I — curentul de tunelare, d — densitate, iar z — separarea sonda-probă (intervalul dintre acul microscopului și probă). Aplicarea acestei metode permite obținerea de imagini cu o rezoluție spațială mai mare. De asemenea, pentru aceasta se pot folosi CO sau H2 pe acul microscopului.
Imaginea 2С reprezintă o imagine obținută prin STM, a cărei ac a fost acoperită cu CO. Compararea imaginilor Un, În și Cu arată că toate elementele atomice sunt definite ca trei hexagoane adiacente, orientate în două direcții neechivalente (triunghiuri roșii și galbene în imagini).
Imaginile mărite ale acestei zone (2D) confirmă că aceste elemente se află în concordanță cu impuritățile dopante de bor, ocupând două sub-rețele ale grafenului, ceea ce este indicat și de structurile suprapuse.
Acoperirea cu CO a acului microscopului a permis identificarea structurii geometrice a foii de borofen (2E), ceea ce ar fi fost imposibil dacă acul ar fi fost standard (metal) fără acoperire cu CO.
Imaginea nr. 3
Formarea interfețelor laterale heterogene între borofen și grafen (3А) trebuie să aibă loc atunci când borofenul crește lângă domenii de grafen, în care există deja bor.
Cercetătorii reamintesc că interfețele laterale heterogene bazate pe grafen-hBN (grafen + nitruro de bor) au o compatibilitate a rețelei, iar hetero trecerile bazate pe dicalcogenidele metalelor de tranziție au o compatibilitate a simetriilor. În cazul grafenului/borofenului, situația este puțin diferită — acestea au o similaritate structurală minimă din punct de vedere al constantelor de rețea sau simetriei cristaline. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, interfața laterală heterogenă grafen/borofen demonstrează o compatibilitate atomică aproape perfectă, direcțiile rândului de bor (B-row) fiind aliniate cu direcțiile zig-zag (ZZ) ale grafenului (3А). La 3В este prezentată o imagine mărită a zonei ZZ a interfeței (elementele interfațiale sunt marcate cu linii albastre, corespunzând legăturilor covalente bor-carbon).
Deoarece creșterea borofenului are loc la o temperatură mai mică în comparație cu grafenul, marginile domeniului de grafen nu vor avea probabil o mobilitate mare în formarea interfeței cu borofenul. Prin urmare, interfața heterogenă aproape atomică este probabil rezultatul diferitelor configurații și caracteristici ale legăturilor multicentrice de bor. Spectrele de spectroscopie de tunelare (3С) și conductivitate de tunelare diferențială (3D) arată că trecerea electronică de la grafen la borofen are loc la o distanță de ~ 5 Å fără stări vizibile de interfață.
În imaginea 3E sunt prezentate trei spectre de spectroscopie de tunelare, realizate de-a lungul celor trei linii punctate pe 3D, care confirmă că această trecere electronică scurtă este insensibilă la structurile locale ale interfeței și este comparabilă cu cea de la limitele borofen-silver.
Imaginea nr. 4
Grafenul intercalare* a fost de asemenea studiat pe scară largă, însă transformarea intercalanților în foi 2D reale este un fenomen relativ rar.
Intercalare* reprezintă includerea reversibilă a unei molecule sau a unui grup de molecule între alte molecule sau grupuri de molecule.
Raza atomică mică a borului și interacțiunea slabă dintre grafen și Ag (111) sugerează o posibilă intercalare a grafenului cu bor. În imaginea 4A sunt prezentate dovezi nu doar ale intercalării borului, ci și formării heterostructurilor verticale borofen-grafen, în special a domeniilor triunghiulare înconjurate de grafen. Rețeaua celulară observată pe acest domeniu triunghiular confirmă prezența grafenului. Cu toate acestea, acest grafen demonstrează o densitate locală a stărilor mai scăzută la -50 meV comparativ cu grafenul înconjurător (4B). Comparativ cu grafenul direct pe Ag (111), absența semnelor unei densități locale ridicate a stărilor în spectru dI/dV (4C, (curba albastră), corespunzătoare stării de suprafață Ag (111), este prima dovadă a intercalării borului.
De asemenea, așa cum era de așteptat pentru intercalarea parțială, rețeaua grafenului rămâne continuă pe întregul interval lateral dintre grafen și zona triunghiulară (4D — corespunde zonei dreptunghiulare de pe 4A, marcată cu un punct roșu). O imagine obținută prin SCO cu ajutorul unei sonde de microscop a confirmat, de asemenea, prezența impurităților de bor (4E — corespunde zonei dreptunghiulare de pe 4A, marcate cu un punct galben).
În timpul analizei, s-au utilizat și sonde de microscop fără niciun tip de acoperire. În acest caz, în domeniile grafene intercalate s-au identificat semne ale unor elemente liniare unidimensionale cu o periodicitate de 5 Å (4F și 4G). Aceste structuri unidimensionale amintesc de coloanele de bor din modelul borofenului. În plus față de setul de puncte corespunzătoare grafenului, transformarea Fourier a imaginii de pe 4G arată o pereche de puncte ortogonale, corespunzătoare unei rețele dreptunghiulare de 3 Å x 5 Å (4H), ceea ce se potrivește perfect cu modelul borofenului. În plus, orientarea triplă observată a rețelei elementelor liniare (1E) se potrivește bine cu aceeași structură predominată observată pentru foile de borofen.
Toate aceste observații sugerează în mod convingător intercalarea grafenului cu borofen în apropierea marginilor Ag, ceea ce, prin urmare, conduce la formarea heterostructurilor verticale borofen-grafen, care pot fi realizate predominant prin creșterea acoperirii inițiale a grafenului.
4I este o reprezentare schematică a heterostructurii verticale 4H, unde direcția rândului de bor (săgeata roz) este aproape aliniată cu direcția zigzag a grafenului (săgeata neagră), formând astfel o heterostructură verticală rotativ-similară.
Pentru o mai bună înțelegere a nuanțelor cercetării, vă recomand să consultați și la acesta.
Epilog
Această cercetare a arătat că borofenele sunt capabile să formeze heterostructuri laterale și verticale cu grafen. Astfel de sisteme pot fi folosite în dezvoltarea de noi tipuri de elemente bidimensionale, utilizate în nanotehnologii, electronică flexibilă și purtabilă, precum și în noi tipuri de semiconductori.
Cercetătorii înșiși consideră că dezvoltarea lor ar putea fi un impuls semnificativ pentru tehnologiile legate de electronică. Cu toate acestea, este dificil să se spună cu exactitate dacă cuvintele lor vor deveni profetice. Deocamdată, mai este mult de cercetat, înțeles și inventat pentru ca acele idei de science fiction, care umplu mințile cercetătorilor, să devină o realitate completă.
Vă mulțumesc pentru atenție, rămâneți curioși și vă doresc o săptămână de lucru plăcută, oameni buni. 🙂
Mulțumim că rămâneți cu noi. Vă plac articolele noastre? Doriți să vedeți mai multe materiale interesante? Susțineți-ne, efectuând o comandă sau recomandându-ne prietenilor, 30% reducere pentru utilizatorii Habr pentru un server entry-level unic, creat special pentru tine: (sunt disponibile opțiuni cu RAID1 și RAID10, până la 24 nuclee și până la 40GB DDR4).
Dell R730xd la jumătate de preț? Numai la noi în Olanda! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — de la 99 $! Citiți despre
Sursa: habr.com
