„Mutația este cheia dezvăluirii misterului evoluției. Calea dezvoltării de la cel mai simplu organism până la specia biologică dominantă durează mii de ani. Dar la fiecare sută de mii de ani are loc un salt brusc înainte în evoluție” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Dacă aruncăm toate elementele science-fiction prezente în benzi desenate și filme, atunci cuvintele profesorului X sunt destul de adevărate. Dezvoltarea a ceva decurge uniform de cele mai multe ori, dar uneori există salturi care au un impact uriaș asupra întregului proces. Acest lucru se aplică nu numai evoluției speciilor, ci și evoluției tehnologiei, al cărei motor principal este oamenii, cercetările și invențiile lor. Astăzi ne vom familiariza cu un studiu care, conform autorilor săi, reprezintă un adevărat salt evolutiv în nanotehnologie. Cum au reușit oamenii de știință de la Universitatea Northwestern (SUA) să creeze o nouă heterostructură bidimensională, de ce au fost alese grafenul și borofenul ca bază și ce proprietăți ar putea avea un astfel de sistem? Raportul grupului de cercetare ne va spune despre acest lucru. Merge.
Baza cercetării
Am auzit de multe ori termenul „grafen”; este o modificare bidimensională a carbonului, constând dintr-un strat de atomi de carbon cu o grosime de 1 atom. Dar „borofen” este extrem de rar. Acest termen se referă la un cristal bidimensional format numai din atomi de bor (B). Posibilitatea existenței borofenului a fost prezisă pentru prima dată la mijlocul anilor 90, dar în practică această structură a fost obținută abia în 2015.
Structura atomică a borofenului constă din elemente triunghiulare și hexagonale și este o consecință a interacțiunii dintre legăturile în plan cu două centre și mai multe centre, ceea ce este foarte tipic pentru elementele cu deficit de electroni, care includ bor.
*Prin legături bicentrice și multicentrice înțelegem legături chimice - interacțiuni ale atomilor care caracterizează stabilitatea unei molecule sau a unui cristal ca o singură structură. De exemplu, o legătură cu doi centre cu doi electroni apare atunci când 2 atomi au doi electroni în comun, iar o legătură cu doi centre cu trei electroni apare când 2 atomi și 2 electroni etc.
Din punct de vedere fizic, borofenul poate fi mai puternic și mai flexibil decât grafenul. De asemenea, se crede că structurile de borofen ar putea fi o completare eficientă pentru baterii, deoarece borofenul are o capacitate specifică mare și proprietăți unice de conductivitate electronică și transport ionic. Cu toate acestea, în acest moment aceasta este doar o teorie.
ființă element trivalent*, borul are cel puțin 10 alotropi*. În formă bidimensională, asemănătoare polimorfism* se observă de asemenea.
element trivalent* capabile să formeze trei legături covalente, a căror valență este de trei.
alotropie* - când un element chimic poate fi prezentat sub forma a două sau mai multe substanţe simple. De exemplu, carbon - diamant, grafen, grafit, nanotuburi de carbon etc.
Polimorfism* - capacitatea unei substanțe de a exista în diferite structuri cristaline (modificări polimorfe). În cazul substanțelor simple, acest termen este sinonim cu alotropie.
Având în vedere acest polimorfism larg, se sugerează că borofenul poate fi un candidat excelent pentru crearea de noi heterostructuri bidimensionale, deoarece diferitele configurații de legare a borului ar trebui să relaxeze cerințele de potrivire a rețelei. Din păcate, această problemă a fost studiată anterior exclusiv la nivel teoretic din cauza dificultăților de sinteză.
Pentru materialele 2D convenționale obținute din cristale stratificate în vrac, heterostructurile verticale pot fi realizate folosind stivuirea mecanică. Pe de altă parte, heterostructurile laterale bidimensionale se bazează pe sinteza de jos în sus. Heterostructurile laterale precise din punct de vedere atomic au un mare potențial în rezolvarea problemelor de control funcțional al heterojoncțiilor, totuși, datorită legăturii covalente, potrivirea imperfectă a rețelei duce de obicei la interfețe largi și dezordonate. Prin urmare, există potențial, dar există și probleme în realizarea lui.
În această lucrare, cercetătorii au reușit să integreze borofenul și grafenul într-o heterostructură bidimensională. În ciuda nepotrivirii rețelei cristalografice și a simetriei dintre borofen și grafen, depunerea secvențială a carbonului și borului pe un substrat Ag(111) sub vid ultra-înalt (UHV) are ca rezultat heterointerfețe laterale aproape atomice precise cu aliniamente ale rețelei prezise, precum și heterointerfețe verticale. .
Pregătirea pentru cercetare
Înainte de a studia heterostructura, aceasta a trebuit să fie fabricată. Creșterea grafenului și borofenului a fost efectuată într-o cameră cu vid ultra-înalt cu o presiune de 1x10-10 milibari.
Substratul monocristal de Ag(111) a fost curățat prin cicluri repetate de pulverizare cu Ar+ (1 x 10-5 milibari, 800 eV, 30 de minute) și recoacere termică (550 °C, 45 de minute) pentru a obține un Ag( curat și plat din punct de vedere atomic). 111) suprafata...
Grafenul a fost crescut prin evaporarea cu fascicul de electroni a unei tije de grafit pur (99,997%) cu un diametru de 2.0 mm pe un substrat Ag (750) încălzit la 111 °C la un curent de încălzire de ~ 1.6 A și o tensiune de accelerare de ~ 2 kV , care dă un curent de emisie de ~ 70 mA și flux de carbon ~ 40 nA. Presiunea din cameră a fost de 1 x 10-9 milibari.
Borofenul a fost crescut prin evaporarea cu fascicul de electroni a unei tije de bor pur (99,9999%) pe grafen submonostrat pe Ag (400) încălzit la 500-111 °C. Curentul filamentului a fost de ~1.5 A și tensiunea de accelerare a fost de 1.75 kV, ceea ce dă 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 milibari.
Rezultatele studiului
Imaginea #1
Pe imagine 1A afișate STM* un instantaneu al grafenului crescut, unde domeniile grafenului sunt cel mai bine vizualizate folosind o hartă dI/dV (1V), unde I и V sunt curentul de tunel și deplasarea probei și d — densitatea.
STM* — microscop cu scanare tunel.
dI/dV hărțile eșantionului ne-au permis să vedem o densitate locală mai mare a stărilor de grafen în comparație cu substratul Ag(111). În conformitate cu studiile anterioare, starea de suprafață a Ag (111) are o caracteristică de treaptă, deplasată către energii pozitive prin dI/dV spectrul grafenului (1S), ceea ce explică densitatea locală mai mare a stărilor de grafen pe 1V la 0.3 eV.
Pe imagine 1D putem vedea structura grafenului cu un singur strat, unde rețeaua de fagure și suprastructură moiré*.
Suprastructură* - o caracteristică a structurii unui compus cristalin care se repetă la un anumit interval și creează astfel o nouă structură cu o perioadă de alternanță diferită.
Moar* - suprapunerea a două modele periodice de plasă una peste alta.
La temperaturi mai scăzute, creșterea duce la formarea de domenii dendritice și de grafen defecte. Datorită interacțiunilor slabe dintre grafen și substratul de bază, alinierea rotațională a grafenului față de Ag(111) de bază nu este unică.
După depunerea de bor, microscopie cu tunel de scanare (1E) a arătat prezența unei combinații de domenii borofen și grafen. De asemenea, vizibile în imagine sunt regiunile din interiorul grafenului, care au fost identificate ulterior ca grafen intercalat cu borofen (indicat în imagine). Gr/B). Elementele liniare orientate în trei direcții și separate printr-un unghi de 120° sunt de asemenea clar vizibile în această zonă (săgeți galbene).
Imaginea #2
Fotografie pe 2Aca 1E, confirmă apariția unor depresiuni întunecate localizate în grafen după depunerea de bor.
Pentru a examina mai bine aceste formațiuni și a afla originea lor, a fost făcută o altă fotografie a aceleiași zone, dar folosind hărți |dlnI/dz| (2B), unde I - curent de tunel, d este densitatea și z — separarea sondă-probă (distanța dintre acul microscopului și probă). Utilizarea acestei tehnici face posibilă obținerea de imagini cu rezoluție spațială mare. Pentru aceasta, puteți utiliza CO sau H2 pe acul microscopului.
Изображение 2S este o imagine obținută folosind un STM al cărui vârf a fost acoperit cu CO. Comparația imaginilor А, В и С arată că toate elementele atomice sunt definite ca trei hexagoane strălucitoare adiacente direcționate în două direcții neechivalente (triunghiuri roșii și galbene în fotografii).
Imagini mărite ale acestei zone (2D) confirmă că aceste elemente sunt în acord cu impuritățile dopante cu bor, ocupând două subrețele de grafen, așa cum este indicat de structurile suprapuse.
Acoperirea cu CO a acului de microscop a făcut posibilă dezvăluirea structurii geometrice a foii de borofen (2E), ceea ce ar fi imposibil dacă acul ar fi standard (metal) fără acoperire cu CO.
Imaginea #3
Formarea de heterointerfețe laterale între borofen și grafen (3A) ar trebui să apară atunci când borofenul crește lângă domeniile de grafen care conțin deja bor.
Oamenii de știință amintesc că heterointerfețele laterale bazate pe grafen-hBN (grafen + nitrură de bor) au consistență rețelei, iar heterojoncțiunile bazate pe dicalcogenuri ale metalelor tranziționale au consistență de simetrie. În cazul grafenului/borofenului, situația este ușor diferită - au o asemănare structurală minimă în ceea ce privește constantele rețelei sau simetria cristalului. Cu toate acestea, în ciuda acestui fapt, heterointerfața laterală grafen/borofen demonstrează o consistență atomică aproape perfectă, cu direcțiile rândului de bor (rândul B) aliniate cu direcțiile în zigzag (ZZ) ale grafenului (3A). Pe 3V este prezentată o imagine mărită a regiunii ZZ a heterointerfeței (liniile albastre indică elementele de interfață corespunzătoare legăturilor covalente bor-carbon).
Deoarece borofenul crește la o temperatură mai scăzută în comparație cu grafenul, marginile domeniului grafenului este puțin probabil să aibă o mobilitate ridicată atunci când formează o heterointerfață cu borofenul. Prin urmare, heterointerfața aproape atomică precisă este probabil un rezultat al diferitelor configurații și caracteristici ale legăturilor de bor multisite. Scanarea spectrelor de spectroscopie de tunel (3S) și conductivitate diferențială a tunelului (3D) arată că tranziția electronică de la grafen la borofen are loc pe o distanță de ~ 5 Å fără stări de interfață vizibile.
Pe imagine 3E Sunt prezentate trei spectre de spectroscopie de scanare de tunel luate de-a lungul celor trei linii întrerupte în 3D, care confirmă că această scurtă tranziție electronică este insensibilă la structurile interfaciale locale și este comparabilă cu cea de la interfețele borofen-argint.
Imaginea #4
Grafen intercalare* a fost, de asemenea, studiată anterior pe scară largă, dar conversia intercalanților în foi adevărate 2D este relativ rară.
Intercalare* - 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 imagine 4A sunt prezentate dovezi nu numai ale intercalării borului, ci și ale formării heterostructurilor verticale borofen-grafen, în special domenii triunghiulare înconjurate de grafen. Rețeaua de tip fagure observată pe acest domeniu triunghiular confirmă prezența grafenului. Cu toate acestea, acest grafen prezintă o densitate locală mai mică a stărilor la -50 meV în comparație cu grafenul din jur (4V). În comparație cu grafenul direct pe Ag(111), nu există dovezi ale unei densități locale mari de stări 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 de grafen rămâne continuă pe întreaga interfață laterală dintre grafen și regiunea triunghiulară (4D - corespunde unei zone dreptunghiulare pe 4A, încercuit cu linie punctată roșie). O imagine folosind CO pe un ac de microscop a confirmat, de asemenea, prezența impurităților de substituție a borului (4E - corespunde unei zone dreptunghiulare pe 4A, încercuit cu linie punctată galbenă).
În timpul analizei s-au folosit și ace de microscop fără acoperire. În acest caz, semnele elementelor liniare unidimensionale cu o periodicitate de 5 Å au fost dezvăluite în domeniile grafen intercalate (4F и 4G). Aceste structuri unidimensionale seamănă cu rândurile de bor din modelul borofen. Pe lângă setul de puncte corespunzător grafenului, transformarea Fourier a imaginii în 4G afișează o pereche de puncte ortogonale corespunzătoare unei rețele dreptunghiulare de 3 Å x 5 Å (4H), care este în excelent acord cu modelul borofen. În plus, orientarea triplă observată a matricei de elemente liniare (1E) este de acord cu aceeași structură predominantă observată pentru foile de borofen.
Toate aceste observații sugerează cu tărie intercalarea grafenului cu borofen în apropierea marginilor Ag, ceea ce duce, în consecință, la formarea heterostructurilor verticale borofen-grafen, care pot fi realizate în mod avantajos prin creșterea acoperirii inițiale a grafenului.
4I este o reprezentare schematică a unei heterostructuri verticale pe 4H, unde direcția rândului de bor (săgeata roz) este strâns aliniată cu direcția în zig-zag a grafenului (săgeata neagră), formând astfel o heterostructură verticală proporțională cu rotație.
Pentru o cunoaștere mai detaliată a nuanțelor studiului, vă recomand să vă uitați la и către el.
Epilog
Acest studiu a arătat că borofenul este destul de capabil să formeze heterostructuri laterale și verticale cu grafen. Astfel de sisteme pot fi utilizate în dezvoltarea de noi tipuri de elemente bidimensionale utilizate în nanotehnologie, electronice flexibile și portabile, precum și noi tipuri de semiconductori.
Cercetătorii înșiși cred că dezvoltarea lor ar putea fi un impuls puternic pentru tehnologiile legate de electronică. Cu toate acestea, este încă greu de spus cu siguranță că cuvintele lor vor deveni profetice. În acest moment, mai sunt multe de cercetat, înțeles și inventat pentru ca acele idei științifico-fantastice care umplu mințile oamenilor de știință să devină o realitate cu drepturi depline.
Mulțumesc pentru citit, rămâneți curioși și o săptămână minunată băieți. 🙂
Vă mulțumim că ați rămas cu noi. Vă plac articolele noastre? Vrei să vezi mai mult conținut interesant? Susține-ne plasând o comandă sau recomandând prietenilor, Reducere de 30% pentru utilizatorii Habr la un analog unic de servere entry-level, care a fost inventat de noi pentru tine: (disponibil cu RAID1 și RAID10, până la 24 de nuclee și până la 40 GB DDR4).
Dell R730xd de 2 ori mai ieftin? Numai aici in Olanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - de la 99 USD! Citește despre
Sursa: www.habr.com