„Mutácia je kľúčom k vyriešeniu tajomstva evolúcie. Cesta vývoja od najjednoduchšieho organizmu po dominantný biologický druh trvá tisíce rokov. Ale každých stovky tisíc rokov sa v evolúcii odohráva prudký skok vpred“ (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ak sa zbavíme všetkých vedecko-fantastických prvkov prítomných v komiksoch a filmoch, slová profesora X sú celkom pravdivé. Vývoj čohokoľvek prebieha rovnomerne väčšinu času, ale niekedy sa objavia skoky, ktoré majú obrovský vplyv na celý proces. To platí nielen pre evolúciu druhov, ale aj pre evolúciu technológií, ktorých hlavným motorom sú ľudia, ich výskum a vynálezy. Dnes sa s vami zoznámime s výskumom, ktorý podľa jeho autorov predstavuje skutočný evolučný skok v nanotechnológiách. Ako sa vedcom z Northwestern University (USA) podarilo vytvoriť novú dvojrozmernú heterostruktúru, prečo boli ako základ zvolené grafén a borofén, a akými vlastnosťami môže takýto systém disponovať? O tom nám povie správa výskumnej skupiny. Ideme na to.
Základ výskumu
Termín „grafén“ sme už počuli mnohokrát - je to dvojrozmerná modifikácia uhlíka, pozostávajúca z vrstvy atómov uhlíka hrubej 1 atóm. No „borofén“ sa vyskytuje veľmi zriedka. Tento termín označuje dvojrozmerný kryštál, ktorý pozostáva výlučne z atómov bóru (B). Možnosť existencie borofénu bola prvýkrát predpovedaná už v polovici 90. rokov, ale prakticky sa túto štruktúru podarilo získať až v roku 2015.
Atomová štruktúra borofénu pozostáva z trojuholníkových a hexagonálnych prvkov a je výsledkom interakcie medzi dvojcentrovými a mnohocentrovými vnútroplánkovými väzbami, čo je veľmi charakteristické pre prvky s deficitom elektrónov, medzi ktoré patrí aj bórok.
*Pod dvojcentrovými a mnohocentrovými väzbami sa rozumejú chemické väzby - interakcie atómov, ktoré charakterizujú stabilitu molekuly alebo kryštálu ako jedinej štruktúry. Napríklad, dvojcentrová dvojelektrónová väzba vzniká, keď 2 atómy delia medzi sebou 2 elektróny, a dvojcentrová trojelektrónová - 2 atómy a 3 elektróny atď.
Z fyzického hľadiska môže byť borofen odolnejší a flexibilnejší v porovnaní s grafénom. Taktiež sa predpokladá, že borofenové štruktúry môžu byť efektívnym doplnkom pre batérie, pretože borofen má vysokú špecifickú kapacitu a jedinečné vlastnosti elektronickej vodivosti a prenosu iónov. V súčasnosti ide však len o teóriu.
Ako trojvalentný prvok*, bórov má najmenej 10 allotropov*. V dvojdimenzionálnej forme sa podobný polymorfizmus* taktiež pozoruje.
Trojvalentný prvok* je schopný vytvárať tri kovalentné väzby, ktorých valentnosť je rovná trom.
Allotropia* je situácia, keď môže byť jeden chemický prvok reprezentovaný vo forme dvoch alebo viacerých jednoduchých látok. Ako príklad, uhlík — diamant, grafén, grafit, uhlíkové nanotrubice a pod.
Polymorfizmus* je schopnosť látky existovať v rôznych kryštalických štruktúrach (polymorfných modifikáciách). V prípade jednoduchých látok je tento termín synonymom pre allotropiu.
S ohľadom na tak široký polymorfizmus vzniká predpoklad, že borofen môže byť vynikajúcim kandidátom na vytvorenie nových dvojdimenzionálnych heteroštruktúr, pretože rôzne konfigurácie väzieb bóru by mali oslabiť požiadavky na zladenie kryštálovej mriežky. Bohužiaľ, tento problém sa predtým skúmal výlučne na teoretickej úrovni z dôvodu ťažkostí v syntéze.
Pre bežné 2D materiály získané z objemových vrstvených kryštálov môžu byť vertikálne heteroštruktúry realizované pomocou mechanického ukladania. Na druhej strane, dvojdimenzionálne laterálne heteroštruktúry sú založené na vzostupnej syntéze. Atómovo presné laterálne heteroštruktúry majú veľký potenciál pri riešení problémov s kontrolou funkčných schopností heteroprehodu, avšak kvôli kovalentnému spojeniu nedokonalé zladenie mriežky zvyčajne vedie k širokým a neusporiadaným rozhraniam. Preto potenciál existuje, ale sú tu aj problémy s jeho realizáciou.
V tomto diele sa výskumníkom podarilo integrovať borofen a grafén do jednej dvojrozmernej heterostruktúry. Napriek nesúhlasu krystalografických mriežok a symetrie medzi borofénom a grafénom, sekvenčné usadzovanie uhlíka a bóru na substrát z Ag(111) vo vysokom vákuu (HV) vedie k takmer atómovo presným laterálnym heterointerface s predpovedanými mriežkovými zarovnaním, ako aj k vertikálnym heterointerface.
Príprava na výskum
Pred výskumom heterostruktúry ju bolo potrebné vyrobiť. Rаст графénu a borofénu prebieha v komore ultravysokého vákuového tlaku 1x10-10 milibar.
Monokryštálový substrát Ag(111) bol čistený opakovanými cyklami rozprašovania Ar+(1 x 10-5 milibar, energia 800 eV, 30 minút) a tepelným žíhaním (550 °C, 45 minút) až do získania atómovo čistého a plochého povrchu Ag(111).
Rast grafénu sa uskutočňoval prostredníctvom elektronového lúčového odparovania čistého (99,997%) grafitového tyče s priemerom 2,0 mm na zahriaty substrát Ag (111) pri teplote 750 °C, s prúdovým napätím ~ 1,6 A a urýchľujúcim napätím ~ 2 kV, čo dáva emisný prúd ~ 70 mA a prietok uhlíka ~ 40 nA. Tlak v komore bol 1 x 10-9 milibar.
Rast borofénu sa uskutočňoval prostredníctvom elektronového lúčového odparovania čistého (99,9999%) bórového tyče na zahriaty submonovrstvový grafén na Ag (111) s teplotou 400-500 °C. Prúdový tok bol ~ 1,5 A a urýchľujúce napätie 1,75 kV, čo dáva emisný prúd ~ 34 mA a prietok bóru ~ 10 nA. Tlak v komore počas rastu borofénu bol približne 2 x 10-10 milibar.
Výsledky štúdie
Obrázok č. 1
Na obrázku 1A je zobrazený STM* snimok vypestovaného grafénu, kde sa grafénové domény najlepšie vizualizujú pomocou mapy dI/dV (1B), kde I a V — tunelový prúd a posun vzorky, a d — hustota.
STM* — skenovací tunelový mikroskop.
dI/dV mapy vzorky umožnili vidieť vyššiu lokálnu hustotu stavov grafénu v porovnaní so substrátom Ag (111). V súlade s predchádzajúcimi štúdiami, povrchový stav Ag (111) má schodovitú charakteristiku, posunutú smerom k pozitívnym energetickým hodnotám na dI/dV spektru grafénu (1C), čo vysvetľuje vyššiu lokálnu hustotu stavov grafénu na 1B pri 0,3 eV.
Na obrázku 1D môžeme vidieť štruktúru jednočlánkového grafénu, kde je jasne viditeľná mriežka a moiréová nadštruktúra*.
Superstructúra* — vlastnosť štruktúry kryštalickej zlúčeniny, ktorá sa opakuje s určitým intervalom a vytvára tak novú štruktúru s iným periódovým striedaním.
Moar* — prekrytie dvoch periodických mriežkových vzorov navzájom.
Pri nižších teplotách rast vedie k tvorbe dendritických a defektných grafénových domén. V dôsledku slabých interakcií medzi grafénom a podložným substrátom nie je rotačné zarovnanie grafénu vo vzťahu k podložnému Ag (111) unikátne.
Po nanesení bóru skenovacia tunelová mikroskopia (1E) ukázala prítomnosť zlúčenia bórofenových a grafénových domén. Na snímke sú tiež viditeľné oblasti vnútri grafénu, ktoré boli neskôr definované ako interkalovaný bórofenom grafén (označený na snímke Gr/B). V tejto oblasti sú tiež dobre viditeľné lineárne prvky, orientované v troch smeroch a rozdelené pod uhlom 120 ° (žlté šípky).
Obrázok č. 2
Snímka na 2A, rovnako ako 1E, potvrdzujú vznik lokalizovaných tmavých prehlbní (depresií) v graféne po nanesení bóru.
Aby sme lepšie preskúmali tieto formácie a zistili ich pôvod, bola urobená ďalšia snímka tej istej oblasti, ale s použitím máp |dlnI/dz| (2В), где I — tunelový prúd, d — hustota, a z — rozdelenie sondu-vzorka (medzera medzi ihlou mikroskopu a vzorkou). Aplikácia tejto metódy umožňuje získať obrázky s vyšším priestorovým rozlíšením. Na tento účel je tiež možné použiť CO alebo H2 na ihle mikroskopu.
Obrázok 2C je snímkou získanou pomocou STM, ktorej ihla bola pokrytá CO. Porovnanie snímok A, V a S ukazuje, že všetky atomárne prvky sú určené ako tri susedné jasné šesťuholníky, orientované v dvoch neekvivalentných smeroch (červené a žlté trojuholníky na snímkach).
Zväčšené snímky tejto oblasti (2D) potvrdzujú, že tieto prvky sú v súlade s legujúcimi prísadami bóru, ktoré zaberajú dve podmriežky grafénu, čo naznačujú aj prekryté štruktúry.
Pokrytie CO na ihle mikroskopu umožnilo odhaliť geometrickú štruktúru listu bórofeny (2E), čo by nebolo možné, keby bola ihla štandardná (kovová) bez pokrytia CO.
Obrázok č. 3
Tvorba laterálnych heterointerface medzi borofenom a grafénom (3A) by mala nastať v prípade, keď borofen rastie vedľa domén grafénu, v ktorom už je bor.
Vedci pripomínajú, že laterálne heterointerface na báze grafén-hBN (grafén + nitrid bóru) majú zhodu mriežok, zatiaľ čo heteroprejazdy na báze dichalkogenidov prechodných kovov majú zhodu symetrií. V prípade grafénu/borofenu je situácia trochu iná — majú minimálnu štrukturálnu podobnosť z hľadiska konštant mriežky alebo kryštalickej symetrie. Napriek tomu, laterálny heterointerface grafén/borofen vykazuje takmer ideálnu atomárnu zhodu, pričom smer borových radov (B-row) je zarovnaný so zúbkovými (ZZ) smermi grafénu (3A). Na 3B je zobrazený zväčšený snímok oblasti ZZ heterointerface (modré čiary označujú medzifázové prvky, ktoré zodpovedajú bor-uhlíkovým kovalentným väzbám).
Keďže rast borofenu prebieha pri nižšej teplote v porovnaní s grafénom, okraje grafénovej domény pravdepodobne nebudú mať vysokú mobilitu pri tvorbe heterointerface s borofenom. Preto takmer atomárne presný heterointerface pravdepodobne vzniká v dôsledku rôznych konfigurácií a charakteristík viaccentrových väzieb bóru. Spektrá skenujúcej tunelovej spektroskopie (3C) a diferenciálnej tunelovej vodivosti (3D) ukazujú, že elektronový prechod z grafénu na borofen prebieha na vzdialenosti ~ 5 Å bez viditeľných stavov interface.
Na obrázku 3E sú zobrazené tri spektrá skenujúcej tunelovej spektroskopie, vykonané pozdĺž troch bodkovaných čiar na 3D, ktoré potvrdzujú, že tento krátky elektronový prechod je necitlivý na miestne medzifázové štruktúry a porovnateľný s podobným na rozhraní borofen-striebro.
Obrázok č. 4
Grafénová interkalácia* bola už tiež široko skúmaná, avšak konverzia interkalantov na skutočné 2D-listy je relatívne zriedkavým javom.
Interkalácia* je vratné zaradenie molekuly alebo skupiny molekúl medzi iné molekuly alebo skupiny molekúl.
Malý atomový polomer bóru a slabé interakcie medzi grafénom a Ag (111) naznačujú možnosť interkalácie grafénu s bórom. Na obrázku 4A sú uvedené dôkazy o interkalácii bóru, ako aj o vytváraní vertikálnych borofen-grafénových heterostruktúr, najmä trojholníkových domén obklopených grafénom. Mriežka, pozorovaná na tejto trojholníkovej doméne, potvrdzuje prítomnosť grafénu. Avšak tento grafén vykazuje nižšiu lokálnu hustotu stavov pri -50 meV v porovnaní s okolným grafénom (4B). V porovnaní s grafénom priamo na Ag (111) absencia znakov vysokej lokálnej hustoty stavov v spektre dI/dV (4C, modrá krivka), zodpovedajúca povrchovému stavu Ag (111), je prvým dôkazom interkalácie bóru.
Rovnako ako bolo očakávané pre parcielnu interkaláciu, grafénová mriežka zostáva kontinuálna po celom laterálnom rozhraní medzi grafénom a trojuholníkovou oblasťou (4D — zodpovedá obdlžníkovej oblasti na 4A, označenej červenou bodkovanou čiarou). Snímok pomocou AFM potvrdil prítomnosť substitučných nečistôt bóru (4E — zodpovedá obdlžníkovej oblasti na 4A, označenej žltou bodkovanou čiarou).
Počas analýzy sa používali aj ihly mikroskopu bez akéhokoľvek povlaku. V takom prípade sa v interkalovaných grafénových doménach objavili znaky jednorozmerných lineárnych prvkov s periodicitou 5 Å (4F a 4G). Tieto jednorozmerné štruktúry pripomínajú rady bóru v modeli borofénu. Okrem súboru bodov, ktoré zodpovedajú grafénu, Fourierova transformácia snímku na 4G zobrazuje pár ortogonálnych bodov, ktoré zodpovedajú obdĺžnikovej mriežke 3 Å x 5 Å (4H), čo výborne súhlasí s modelom borofénu. Navyše, pozorovaná trojitá orientácia mriežky lineárnych prvkov (1E) dobre súhlasí s tou istou prevládajúcou štruktúrou, ktorá sa pozoruje pre listy borofénu.
Všetky tieto pozorovania presvedčivo svedčia o interkalácii grafénu borofénom v blízkosti okrajov Ag, čo vedie k tvorbe vertikálnych heterostruktúr borofén-grafén, ktoré môžu byť prevažne realizované zvýšením počiatočného pokrytia grafénom.
4I je schématické znázornenie vertikálnej heterostruktúry na 4H, kde je smer radu bóru (ružová šípka) tesne vyrovnaný so zubatým smerom grafénu (čierna šípka), čím sa vytvára rotujúca a rozmerová vertikálna heterostruktúra.
Pre podrobnejšie oboznámenie s nuansami výskumu odporúčam pozrieť sa do a k nej.
Epilog
Táto štúdia ukázala, že borofen je plne schopný tvoriť laterálne a vertikálne heterostruktúry s grafénom. Podobné systémy môžu byť využité pri vývoji nových typov dvojrozmerných komponentov v nanotechnológiách, flexibilnej a nositeľnej elektronike, ako aj v nových typoch polovodičov.
Samotní vedci sa domnievajú, že ich vývoj môže byť silným impulzom pre technológie spojené s elektronikou. Avšak povedať s istotou, že ich slová sa stanú prorockými, zatiaľ nie je možné. V tejto chvíli je ešte veľa potrebné preskúmať, pochopiť a vynájsť, aby sa tie vedecko-fantastické nápady, ktoré zaplňujú mysle vedcov, stali plnohodnotnou realitou.
Ďakujem za pozornosť, zostávajte zvedaví a želám všetkým dobrý pracovný týždeň, chalani. 🙂
Ďakujeme, že ostávate s nami. Páčia sa vám naše články? Chcete vidieť viac zaujímavých materiálov? Podporte nás, vytvorením objednávky alebo odporúčaním známym, 30% zľava pre používateľov Chabra na unikátny ekvivalent entry-level serverov, ktorý sme pre vás vytvorili: (k dispozícii varianty s RAID1 a RAID10, až 24 jadier a až 40GB DDR4).
Dell R730xd za polovicu? Len u nás v Holandsku! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — od 99 dolárov! Prečítajte si o tom
Zdroj: habr.com
