„Mutacija je ključ za razumevanje misterije evolucije. Put razvoja od najjednostavnijih organizama do dominirajuće biološke vrste traje hiljadama godina. Međutim, svake stotine hiljada godina dolazi do naglog skoka napred u evoluciji“ (Čarls Ksavijer, X-Men, 2000. godina). Ako odbacimo sve naučno-fantastične elemente prisutne u stripovima i filmovima, reči profesora Iksa su potpuno istinite. Razvoj nečega teče ravnomerno veći deo vremena, ali ponekad se javljaju skokovi koji imaju ogroman uticaj na ceo proces. Ovo se može primeniti ne samo na evoluciju vrsta, već i na evoluciju tehnologije, čiji su osnovni pokretači ljudi, njihova istraživanja i izume. Danas ćemo se upoznati sa istraživanjem koje autori smatrali pravim evolucijskim skokom u nanotehnologiji. Kako su naučnici sa Severozapadnog univerziteta (SAD) uspeli da stvore novu dvodimenzionalnu heterostrukturu, zašto su kao osnovu izabrali grafen i borofen, i kakve osobine bi ovakav sistem mogao imati? O tome će nas obavestiti izveštaj istraživačke grupe. Krenimo.
Osnova istraživanja
Termin „grafen“ već smo čuli mnogo puta — to je dvodimenzionalna modifikacija ugljenika, koja se sastoji od sloja atoma ugljenika debljine 1 atom. S druge strane, „borofen“ se sreće veoma retko. Ovaj termin označava dvodimenzionalni kristal koji se sastoji isključivo od atoma bora (B). Prvi put je mogućnost postojanja borofena predviđena još sredinom 90-ih, ali su u praksi ovu strukturu uspeli da dobiju tek 2015. godine.
Atomska struktura borofena sastoji se od trougaonih i heksagonalnih elemenata i rezultat je interakcije između dvo-centrovnih i više-centrovnih unutar-plošnih veza, što je vrlo karakteristično za elemente sa deficitom elektrona, među kojima je i bor.
*Pod dvo-centrovnim i više-centrovnim vezama podrazumevaju se hemijske veze — interakcije atoma, koje karakterišu stabilnost molekula ili kristala kao jedinstvene strukture. Na primer, dvo-centrovna dvoelektronska veza nastaje kada 2 atoma dele između sebe 2 elektrona, dok dvo-centrovna trojelectronska veza uključuje 2 atoma i 3 elektrona itd.
Z fizičnega vidika je borofen lahko trdnejši in bolj fleksibilen v primerjavi z grafenom. Prav tako velja, da so borofenove strukture lahko učinkovito dopolnilo za baterije, saj borofen odlikuje visoka specifična kapaciteta in edinstvene lastnosti električne prevodnosti ter prenosa ionov. Vendar je trenutno to le teorija.
Biti trivalentni element*, bor ima vsaj 10 alotropov*. V dvoslojni obliki podobna polimorfizem* tudi opazimo.
Trivalentni element* je sposoben oblikovati tri kovalentne vezi, katerih valenca je tri.
Alotropija* je, ko je en kemijski element lahko predstavljen kot dve ali več enostavnih snovi. Na primer, ogljik – diamant, grafen, grafit, ogljikove nanotubule itd.
Polimorfizem* je sposobnost snovi, da obstaja v različnih kristaliničnih strukturah (polimorfnih modifikacijah). V primeru enostavnih snovi je ta izraz sinonim za alotropijo.
Glede na tako širok polimorfizem se postavlja domneva, da bi borofen lahko postal odličen kandidat za ustvarjanje novih dvoslojnih heterostruktur, saj bi različne konfiguracije borovih vezi morale oslabiti zahteve po usklajenju kristalne mreže. Na žalost je bil ta vprašanje v preteklosti raziskovano le na teoretični ravni zaradi zapletov pri sintezi.
Za običajne 2D materiale, pridobljene iz prostorskih slojevitih kristalov, se lahko vertikalne heterostrukture uresničijo z mehaničnim polaganjem. Po drugi strani pa so dvoslojne lateralne heterostrukture osnovane na vzpenjajoči sintezi. Atomarsko natančne lateralne heterostrukture imajo velik potencial pri reševanju težav s sledenjem funkcionalnih zmožnosti heteropreteka, vendar pa zaradi kovalentne vezi običajno slabo usklajeno mrežo vodi do širokih in neurejenih vmesnikov. Zato potencial obstaja, vendar obstajajo tudi težave pri njegovi uresničitvi.
V tem delu so raziskovalci uspeli integrirati borofen in grafen v eno dvodimenzionalno heterostrukturo. Kljub neskladju kristalografskih mrež in simetrije med borofenom in grafenom, dosledno nanašanje ogljika in bora na podlago Ag(111) v ultravakuumu (UHV) vodi do skoraj atomsko natančnih lateralnih heterointerfejsov s predvidenimi uskladitvami mrež, pa tudi do vertikalnih heterointerfejsov.
Priprava na raziskavo
Pred raziskavo heterostrukture jo je bilo potrebno izdelati. Rast grafena in borofena je potekala v komori ultravakuuma s tlakom 1x10-10 mbar.
Monokristalna podlaga Ag(111) je bila očiščena s ponovnimi cikli ionizacije s plazmo Ar+ (1 x 10-5 mbar, energija 800 eV, 30 minut) in toplotnim žarjenjem (550 °C, 45 minut), dokler ni bila dosežena atomsko čista in ravna površina Ag(111).
Rast grafena se je izvajala z elektronskim žarkom iz pare čistega (99,997%) grafitnega palice premera 2,0 mm na segreto do 750 °C podlago Ag(111) pri ogrevalnem toku približno 1,6 A in pospeševalnem napetosti približno 2 kV, kar daje emisijski tok približno 70 mA in tok ogljika približno 40 nA. Tlak v komori je bil 1 x 10-9 mbar.
Rast borofena se je izvajala z elektronskim žarkom iz pare čistega (99,9999%) borove palice na segretan podgrafen pri 400-500 °C na Ag(111). Ogrevalni tok je bil približno 1,5 A, pospeševalno napetost pa 1,75 kV, kar daje emisijski tok približno 34 mA in tok bora približno 10 nA. Tlak v komori med rastjo borofena je bil približno 2 x 10-10 mbar.
Rezultati raziskave
Obrázok č. 1
Na sliki 1A predstavljen STM* posnetek rastočega grafena, kjer so grafenski domini najbolje vidni s pomočjo karte dI/dV (1B), kjer I in V — tunnel tok in premik vzorca, ter d — gostota.
STM* — skenirajoči tunel mikroskop.
dI/dV Karte vzorca so omogočile pregled višje lokalne gostote stanj grafena v primerjavi s podlago Ag(111). V skladu s prejšnjimi raziskavami ima površinsko stanje Ag(111) stopničasto karakteristiko, premaknjeno proti pozitivnim energijam na dI/dV spektru grafena (1C), kar pojasnjuje višjo lokalno gostoto stanj grafena na 1B pri 0,3 eV.
Na sliki 1D lahko vidimo strukturo enoslojne grafena, kjer je jasno vidna šesterokotna mreža in moaré struktura*.
Struktura* — značilnost strukture kristalne spojine, ki se ponavlja s določenim intervalom in tako ustvarja novo strukturo z drugim obdobjem izmenjave.
Moaré* — prekrivanje dveh periodičnih mrežnih vzorcev drug na drugega.
Pri nižjih temperaturah rast pripelje do nastanka dendritnih in defektnih grafenovih domen. Zaradi šibkih interakcij med grafenom in spodnjim substratom rotacijska poravnava grafena glede na spodnji Ag (111) ni edinstvena.
Po depozitiranju bora je skenirajoča tunelarska mikroskopija (1E) pokazala prisotnost spojine borofenovih in grafenovih domen. Na sliki so vidna tudi območja znotraj grafena, ki so bila pozneje identificirana kot interkaliran grafen z borofenom (označna na sliki Gr/B). Na tem območju so tudi dobro vidni linearni elementi, usmerjeni v treh smereh in razdeljeni pod kotom 120 ° (rumeni puščici).
Slika št. 2
Slika na 2A, prav tako kot 1E, potrjujejo pojav lokaliziranih temnih vdolbin (depresij) v grafenu po depozitiranju bora.
Da bi bolje preučili te tvorbe in ugotovili njihovo poreklo, je bila narejena še ena slika istega območja, vendar z uporabo kart |dlnI/dz| (2В), где I — tunnel tok, d — gostota, ter z — razdalja med sondo in vzorcem (prostor med iglo mikroskopa in vzorcem). Uporaba te metode omogoča pridobitev slik z večjo prostorsko ločljivostjo. Za to je mogoče uporabiti tudi CO ali H2 na igli mikroskopa.
Slika 2C je slika, pridobljena s STM, katere igla je bila prekrita s CO. Primerjava slik A, V in Z kaže, da so vsi atomski elementi določeni kot trije sosednji svetli šesteroki, usmerjeni v dva neekvivalentna smeri (rdeči in rumeni trikotniki na slikah).
Povečane slike tega območja (2D) potrjujejo, da so ti elementi v skladu z legirajočimi nečistočami bora, ki zasedajo dve podrešetki grafena, na kar kažejo tudi prekrivne strukture.
CO prekrivanje igle mikroskopa je omogočilo odkritje geometrijske strukture lista borofena (2E), kar ne bi bilo mogoče, če bi bila igla standardna (kovinska) brez prekrivanja CO.
Slika št. 3
Oblikovanje lateralnih heterointerfejsov med borofenom in grafenom (3A) mora potekati, ko borofen raste ob grafenovih domenah, kjer je že prisoten bor.
Znanstveniki opozarjajo, da lateralni heterointerfejsi na osnovi grafen-hBN (grafen + borov nitride) imajo usklajenost mrež, medtem ko heteroprehodi na osnovi dikhalkogenidov prehodnih kovin - usklajenost simetrij. V primeru grafena/borofena je situacija nekoliko drugačna - imata minimalno strukturno podobnost z vidika konstant mreže ali kristalne simetrije. Vendar pa kljub temu lateralni heterointerfejs grafen/borofen kaže praktično idealno atomsko usklajenost, pri čemer so usmeritve borovih vrst (B-row) usklajene z zigzagastimi (ZZ) usmeritvami grafena (3A). Na 3B je prikazana povečana slika področja ZZ heterointerfejsa (z modrimi črtami označeni interfacialni elementi, ki ustrezajo bor-ognikovim kovalentnim povezavam).
Ker se borofen raste pri nižjih temperaturah v primerjavi z grafenom, robovi grafenovega domena verjetno ne bodo imeli visoke mobilnosti pri oblikovanju heterointerfejsa z borofenom. Zato bo skoraj atomsko natančen heterointerfejs verjetno rezultat različnih konfiguracij in značilnosti večcentričnih povezav bora. Spektri skenirne tuneljske spektroskopije (3C) in diferencialne tunelske prevodnosti (3D) kažejo, da elektronski prehod z grafena na borofen poteka na razdalji ~ 5 Å brez vidnih stanj interfejsa.
Na sliki 3E so prikazana tri spektra skenirne tuneljske spektroskopije, pridobljena vzdolž treh črtkastih črt na 3D, ki potrjujejo, da je ta kratek elektronski prehod nezahtevno občutljiv na lokalne interfacialne strukture in je primerljiv s podobnim na mejah borofen-srebro.
Slika št. 4
Grafenova interkalacija* je bila prav tako široko raziskana, vendar je pretvorba interkalantov v prave 2D-liste razmeroma redek pojav.
Interkalacija* je reverzibilno vključevanje molekule ali skupine molekul med druge molekule ali skupine molekul.
Majhen atomski radij boru in šibka interakcija med grafenom in Ag (111) nam omogočata domnevo o možni interkalaciji grafena z borom. Na sliki 4A so prikazani dokazi ne le o interkalaciji bora, temveč tudi o oblikovanju vertikalnih borofen-grafenovih heterostruktur, še posebej trikotnih domen, obdanih z grafenom. Celična mreža, opažena na tej trikotni domeni, potrjuje prisotnost grafena. Vendar pa ta grafen kaže nižjo lokalno gostoto stanj pri -50 meV v primerjavi z okoliškim grafenom (4B). V primerjavi z grafenom neposredno na Ag (111) odsotnost znakov visoke lokalne gostote stanj v spektru dI/dV (4C, modra krivulja), ki ustreza površinskemu stanju Ag (111), je prvi dokaz interkalacije bora.
Tako kot je bilo pričakovano za parcialno interkalacijo, grafenska mreža ostaja kontinuirana po celem lateralnem vmesniku med grafenom in trikotnim območjem (4D – ustreza pravokotnemu območju na 4A, obkroženem z rdečo črtkano črto). Posnetek s skenirajočo izkušnjo na konici mikroskopa je tudi potrdil prisotnost zamenjalnih nečistoč bora (4E – ustreza pravokotnemu območju na 4A, obkroženo z rumeno črtkano črto).
Med analizo so se uporabljale tudi konice mikroskopa brez kakršne koli obloge. V takem primeru so bile v interkaliranih grafenovih domenah odkrite znake enodimenzionalnih linearnih elementov s periodičnostjo 5 Å (4F in 4G). Ti enodimenzionalni strukturi spominjajo na vrste bora v modelu borofena. Poleg niza točk, ki ustrezajo grafenu, Fourierjeva transformacija posnetka na 4G prikazuje par ortogonalnih točk, ki ustrezajo pravokotni mreži 3 Å x 5 Å (4H), kar se odlično ujema z modelom borofena. Poleg tega opazovana trojna orientacija mreže linearnih elementov (1E) se dobro ujema z isto prevladujočo strukturo, opazovano pri listih borofena.
Vsa ta opažanja prepričljivo dokazujejo interkalacijo grafena z borofenom v bližini robov Ag, kar posledično vodi do oblikovanja vertikalnih heterostruktur borofen-grafen, ki jih je mogoče večinoma realizirati z povečanjem začetnega nanosa grafena.
4I je shematski prikaz vertikalne heterostrukture na 4H, kjer je smer bora (roza puščica) skoraj poravnana s sinusoido smeri grafena (črna puščica), s čimer se oblikuje rotacijsko sorazmerna vertikalna heterostruktura.
Za podrobnejše spoznavanje podrobnosti raziskave priporočam, da si ogledate in k njim.
Epilog
Študija je pokazala, da je borofen sposoben oblikovati lateralne in vertikalne heterostrukture z grafenom. Takšni sistemi se lahko uporabljajo pri razvoju novih vrst dvodimenzionalnih elementov, ki se uporabljajo v nanotehnologijah, fleksibilni in nosljivi elektroniki ter v novih vrstah polprevodnikov.
Sami raziskovalci menijo, da bi njihova zasnova lahko bila močan zagon za tehnologije, povezane z elektroniko. Vendar pa je težko zagotovo reči, da bodo njihove besede prerokovale. Še vedno je veliko raziskav, razumevanja in izumljanja, preden bodo znanstveno-fantastične ideje, ki zapolnjujejo misli znanstvenikov, postale polna realnost.
Hvala na pažnji, ostanite radoznali i želim svima dobru radnu nedelju, ljudi. 🙂
Hvala što ostajete s nama. Da li vam se sviđaju naši članci? Želite li videti više zanimljivih materijala? Podržite nas tako što ćete naručiti ili preporučiti prijateljima, 30% discount for Habra users on our unique entry-level server alternative designed for you: (options available with RAID1 and RAID10, up to 24 cores and up to 40GB DDR4).
Dell R730xd at half the price? Only with us in the Netherlands! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2GHz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — from $99! Read about how
Izvor: habr.com
