»Mutacija je ključ do razkritja skrivnosti evolucije. Pot razvoja od najenostavnejšega organizma do dominantne biološke vrste traja tisočletja. Toda vsakih sto tisoč let je v evoluciji oster skok naprej« (Charles Xavier, Možje X, 2000). Če odmislimo vse elemente znanstvene fantastike, ki so prisotni v stripih in filmih, potem besede profesorja X povsem držijo. Razvoj nečesa večinoma poteka enakomerno, včasih pa pride do preskokov, ki močno vplivajo na celoten proces. To ne velja le za razvoj vrst, ampak tudi za razvoj tehnologije, katere glavno gibalo so ljudje, njihove raziskave in izumi. Danes se bomo seznanili s študijo, ki je po mnenju njenih avtorjev pravi evolucijski preskok v nanotehnologiji. Kako je znanstvenikom z univerze Northwestern (ZDA) uspelo ustvariti novo dvodimenzionalno heterostrukturo, zakaj sta bila za osnovo izbrana grafen in borofen in kakšne lastnosti bi lahko imel tak sistem? O tem nam bo povedalo poročilo raziskovalne skupine. pojdi
Raziskovalna osnova
Večkrat smo slišali izraz "grafen", gre za dvodimenzionalno modifikacijo ogljika, sestavljeno iz plasti ogljikovih atomov debeline 1 atoma. Toda "borofen" je izjemno redek. Ta izraz se nanaša na dvodimenzionalni kristal, sestavljen samo iz atomov bora (B). Možnost obstoja borofena je bila prvič napovedana že sredi 90-ih, v praksi pa je bila ta struktura pridobljena šele leta 2015.
Atomska zgradba borofena je sestavljena iz trikotnih in heksagonalnih elementov in je posledica interakcije med dvocentričnimi in multicentričnimi ravninskimi vezmi, kar je zelo značilno za elemente s pomanjkanjem elektronov, kamor sodi tudi bor.
*Z dvocentričnimi in multicentričnimi vezmi razumemo kemijske vezi - interakcije atomov, ki označujejo stabilnost molekule ali kristala kot enotne strukture. Na primer, dvocentrična dvoelektronska vez se pojavi, ko si 2 atoma delita 2 elektrona, dvocentrična trielektronska vez pa nastane, ko 2 atoma in 3 elektroni itd.
S fizikalnega vidika je lahko borofen močnejši in prožnejši od grafena. Verjame se tudi, da bi borofenske strukture lahko bile učinkovito dopolnilo za baterije, ker ima borofen visoko specifično zmogljivost ter edinstveno elektronsko prevodnost in lastnosti transporta ionov. Vendar je to trenutno le teorija.
Biti trivalentni element*bor ima vsaj 10 alotropi*. V dvodimenzionalni obliki podobno polimorfizem* je tudi opaziti.
Trivalentni element* sposobni tvoriti tri kovalentne vezi, katerih valenca je tri.
alotropija* - kadar je en kemični element mogoče predstaviti v obliki dveh ali več enostavnih snovi. Kot primer ogljik - diamant, grafen, grafit, ogljikove nanocevke itd.
polimorfizem* - sposobnost snovi, da obstaja v različnih kristalnih strukturah (polimorfne modifikacije). V primeru preprostih snovi je ta izraz sinonim za alotropijo.
Glede na ta širok polimorfizem se predlaga, da je borofen lahko odličen kandidat za ustvarjanje novih dvodimenzionalnih heterostruktur, saj bi morale različne konfiguracije vezave bora sprostiti zahteve za ujemanje mreže. Na žalost je bilo to vprašanje zaradi težav pri sintezi prej preučeno izključno na teoretični ravni.
Za običajne 2D materiale, pridobljene iz večplastnih kristalov, je mogoče vertikalne heterostrukture realizirati z mehanskim zlaganjem. Po drugi strani pa dvodimenzionalne lateralne heterostrukture temeljijo na sintezi od spodaj navzgor. Atomsko natančne lateralne heterostrukture imajo velik potencial pri reševanju problemov funkcionalnega nadzora heterojunkcije, vendar pa zaradi kovalentne vezi nepopolno ujemanje rešetk običajno povzroči široke in neurejene vmesnike. Potencial torej obstaja, a so tudi težave pri njegovem uresničevanju.
V tem delu je raziskovalcem uspelo integrirati borofen in grafen v eno dvodimenzionalno heterostrukturo. Kljub neusklajenosti kristalne mreže in simetriji med borofenom in grafenom zaporedno odlaganje ogljika in bora na substrat Ag(111) pod ultra visokim vakuumom (UHV) povzroči skoraj atomsko natančne stranske heterovmesnike s predvidenimi poravnavami rešetk, kot tudi navpične heterovmesnike .
Priprava na raziskovanje
Preden smo preučevali heterostrukturo, jo je bilo treba izdelati. Rast grafena in borofena je potekala v ultravisoki vakuumski komori s tlakom 1x10-10 milibarov.
Substrat monokristala Ag(111) smo očistili s ponavljajočimi se cikli razprševanja Ar+ (1 x 10-5 milibarov, 800 eV, 30 minut) in termičnega žarjenja (550 °C, 45 minut), da smo dobili atomsko čisto in ravno Ag( 111) površina.
Grafen smo gojili z izparevanjem z elektronskim žarkom čiste (99,997 %) grafitne palice s premerom 2.0 mm na podlago Ag (750), segreto na 111 °C pri grelnem toku ~ 1.6 A in pospeševalni napetosti ~ 2 kV. , kar daje emisijski tok ~ 70 mA in pretok ogljika ~ 40 nA. Tlak v komori je bil 1 x 10-9 milibarov.
Borofen smo gojili z izparevanjem z elektronskim žarkom čiste (99,9999 %) borove palice na submonoplastni grafen na Ag (400), segretem na 500–111 °C. Tok žarilne nitke je bil ~1.5 A in pospeševalna napetost je bila 1.75 kV, kar daje emisijski tok ~34 mA in borov tok ~10 nA. Tlak v komori med rastjo borofena je bil približno 2 x 10-10 milibarov.
Rezultati raziskav
Slika #1
Na sliki 1А prikazano STM* posnetek gojenega grafena, kjer so grafenske domene najbolje prikazane z uporabo zemljevida dI/dV (1V), kje I и V sta tunelski tok in premik vzorca ter d — gostota.
STM* — vrstični tunelski mikroskop.
dI/dV zemljevidi vzorca so nam omogočili, da vidimo večjo lokalno gostoto stanj grafena v primerjavi s substratom Ag(111). V skladu s prejšnjimi študijami ima površinsko stanje Ag (111) značilnost stopenj, premaknjeno proti pozitivnim energijam z dI/dV spekter grafena (1S), kar pojasnjuje večjo lokalno gostoto stanj grafena na 1V pri 0.3 eV.
Na sliki 1D lahko vidimo strukturo enoslojnega grafena, kjer je mreža satja in moiré nadgradnja*.
Nadgradnja* - značilnost strukture kristalne spojine, ki se ponavlja v določenem intervalu in tako ustvarja novo strukturo z drugačno periodo menjavanja.
Moire* - superpozicija dveh periodičnih mrežnih vzorcev enega na drugega.
Pri nižjih temperaturah rast povzroči nastanek dendritičnih in defektnih grafenskih domen. Zaradi šibkih interakcij med grafenom in osnovnim substratom rotacijska poravnava grafena glede na osnovni Ag(111) ni edinstvena.
Po nanašanju bora, vrstična tunelska mikroskopija (1E) je pokazala prisotnost kombinacije borofenskih in grafenskih domen. Na sliki so vidne tudi regije znotraj grafena, ki so bile kasneje identificirane kot grafen, interkaliran z borofenom (naveden na sliki Gr/B). V tem območju so jasno vidni tudi linearni elementi, usmerjeni v tri smeri in ločeni s kotom 120° (rumene puščice).
Slika #2
Fotografija vključena 2Аkot 1E, potrdijo pojav lokaliziranih temnih depresij v grafenu po odlaganju bora.
Da bi bolje preučili te formacije in ugotovili njihov izvor, je bila posneta še ena fotografija istega območja, vendar z uporabo zemljevidov |dlnI/dz| (2B), kjer I — tunelski tok, d je gostota in z — ločevanje sonde od vzorca (razmak med iglo mikroskopa in vzorcem). Uporaba te tehnike omogoča pridobivanje slik z visoko prostorsko ločljivostjo. Za to lahko uporabite tudi CO ali H2 na igli mikroskopa.
Изображение 2S je slika, pridobljena s pomočjo STM, katere konica je bila prevlečena s CO. Primerjava slik А, В и С kaže, da so vsi atomski elementi definirani kot trije sosednji svetli šesterokotniki, usmerjeni v dve neenakovredni smeri (rdeči in rumeni trikotniki na fotografijah).
Povečane slike tega območja (2D) potrjujejo, da se ti elementi ujemajo z nečistočami dopanta bora, ki zasedajo dve grafenski podrešeti, kot kažejo superponirane strukture.
Prevleka mikroskopske igle s CO je omogočila razkritje geometrijske strukture borofenske plošče (2E), kar bi bilo nemogoče, če bi bila igla standardna (kovinska) brez CO prevleke.
Slika #3
Tvorba stranskih heterovmesnic med borofenom in grafenom (3А) bi se moralo zgoditi, ko borofen raste poleg grafenskih domen, ki že vsebujejo bor.
Znanstveniki opozarjajo, da imajo stranski heterovmesniki na osnovi grafena-hBN (grafen + borov nitrid) konsistenco mreže, heterospojnice na osnovi dihalkogenidov prehodnih kovin pa konsistenco simetrije. V primeru grafena/borofena je situacija nekoliko drugačna - imata minimalno strukturno podobnost v smislu mrežnih konstant ali kristalne simetrije. Kljub temu pa stranski heterovmesnik grafen/borofen kaže skoraj popolno atomsko konsistenco, pri čemer so smeri vrstic bora (B-vrstica) poravnane s smermi cik-cak (ZZ) grafena (3А). Vklopljeno 3V prikazana je povečana slika območja ZZ heterovmesnice (modre črte označujejo medfazne elemente, ki ustrezajo kovalentnim vezem bor-ogljik).
Ker borofen raste pri nižji temperaturi v primerjavi z grafenom, je malo verjetno, da bodo imeli robovi grafenske domene visoko mobilnost pri oblikovanju heterovmesnika z borofenom. Zato je skoraj atomsko natančen heterovmesnik verjetno posledica različnih konfiguracij in značilnosti večstranskih borovih vezi. Skenirni spektri tunelske spektroskopije (3S) in diferencialne tunelske prevodnosti (3D) kažejo, da se elektronski prehod iz grafena v borofen zgodi na razdalji ~ 5 Å brez vidnih stanj vmesnika.
Na sliki 3E Prikazani so trije spektri skenirajoče tunelske spektroskopije, posneti vzdolž treh črtkanih črt v 3D, ki potrjujejo, da je ta kratek elektronski prehod neobčutljiv na lokalne medfazne strukture in je primerljiv s tistim na vmesnikih borofen-srebro.
Slika #4
Grafen interkalacija* je bil tudi predhodno veliko raziskan, vendar je pretvorba interkalantov v prave 2D plošče relativno redka.
Interkalacija* - reverzibilna vključitev molekule ali skupine molekul med druge molekule ali skupine molekul.
Majhen atomski radij bora in šibka interakcija med grafenom in Ag(111) nakazujeta možno interkalacijo grafena z borom. Na sliki 4А predstavljeni so dokazi ne le o interkalaciji bora, ampak tudi o nastanku vertikalnih borofen-grafenskih heterostruktur, zlasti trikotnih domen, obdanih z grafenom. Satovja mreža, opažena na tej trikotni domeni, potrjuje prisotnost grafena. Vendar ima ta grafen nižjo lokalno gostoto stanj pri -50 meV v primerjavi z okoliškim grafenom (4V). V primerjavi z grafenom neposredno na Ag(111) ni dokazov o visoki lokalni gostoti stanj v spektru dI/dV (4C, modra krivulja), ki ustreza površinskemu stanju Ag(111), je prvi dokaz interkalacije bora.
Prav tako, kot je pričakovano za delno interkalacijo, ostane grafenska mreža neprekinjena v celotnem bočnem vmesniku med grafenom in trikotnim območjem (4D - ustreza pravokotnemu območju na 4А, obkroženo z rdečo pikčasto črto). Slika z uporabo CO na mikroskopski igli je prav tako potrdila prisotnost substitucijskih nečistoč bora (4E - ustreza pravokotnemu območju na 4А, obkroženo z rumeno pikčasto črto).
Pri analizi so bile uporabljene tudi mikroskopske igle brez prevleke. V tem primeru so bili v interkaliranih grafenskih domenah razkriti znaki enodimenzionalnih linearnih elementov s periodičnostjo 5 Å (4F и 4G). Te enodimenzionalne strukture so podobne vrstam bora v borofenskem modelu. Poleg nabora točk, ki ustrezajo grafenu, Fourierjeva transformacija slike v 4G prikazuje par pravokotnih točk, ki ustrezajo pravokotni mreži 3 Å x 5 Å (4H), kar se odlično ujema z borofenskim modelom. Poleg tega opažena trojna orientacija niza linearnih elementov (1E) se dobro ujema z isto prevladujočo strukturo, opaženo za borofenske plošče.
Vsa ta opažanja močno kažejo na interkalacijo grafena z borofenom blizu robov Ag, kar posledično vodi do tvorbe vertikalnih borofen-grafenskih heterostruktur, ki jih je mogoče koristno realizirati s povečanjem začetne pokritosti grafena.
4I je shematski prikaz vertikalne heterostrukture na 4H, kjer je smer vrstice bora (roza puščica) tesno poravnana s cikcakasto smerjo grafena (črna puščica), tako da tvori rotacijsko sorazmerno navpično heterostrukturo.
Za podrobnejšo seznanitev z odtenki študije priporočam ogled и njemu.
Epilog
Ta študija je pokazala, da je borofen povsem sposoben oblikovati stranske in navpične heterostrukture z grafenom. Takšni sistemi se lahko uporabljajo pri razvoju novih vrst dvodimenzionalnih elementov, ki se uporabljajo v nanotehnologiji, fleksibilni in nosljivi elektroniki ter novih vrst polprevodnikov.
Raziskovalci sami verjamejo, da bi njihov razvoj lahko močno spodbudil tehnologije, povezane z elektroniko. Še vedno pa je težko z gotovostjo trditi, da bodo njihove besede postale preroške. Trenutno je treba še veliko raziskati, razumeti in izumiti, da bi tiste znanstvenofantastične ideje, ki polnijo glave znanstvenikov, postale polna resničnost.
Hvala za branje, ostanite radovedni in lep teden, fantje. 🙂
Hvala, ker ste ostali z nami. So vam všeč naši članki? Želite videti več zanimivih vsebin? Podprite nas tako, da oddate naročilo ali priporočite prijateljem, 30% popust za uporabnike Habr na edinstvenem analogu začetnih strežnikov, ki smo ga izumili za vas: (na voljo z RAID1 in RAID10, do 24 jeder in do 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2-krat cenejši? Samo tukaj na Nizozemskem! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 Ghz 6C 128 GB DDR3 2x960 GB SSD 1 Gbps 100 TB - od 99 $! Preberite o
Vir: www.habr.com