«Mutacioni është çelësi për zgjidhjen e misterit të evolucionit. Rruga e zhvillimit nga organizmat më të thjeshtë deri tek speciet biologjike dominuese zgjat mijëra vjet. Por çdo qind mijë vjet në evolucion ndodh një skak të papritur përpara» (Charles Xavier, Njerezit e X, viti 2000). Nëse hiqet çdo element shkencor-fantastik, i pranishëm në komike dhe filma, fjalët e profesor X janë krejtësisht të vërteta. Zhvillimi i çdo gjëje ndodh në mënyrë të njëtrajtshme për shumicën e kohës, por ndonjëherë ndodhin skakje që kanë një ndikim të madh në tërë procesin. Kjo është e aplikueshme jo vetëm në evolucionin e specieve, por edhe në evolucionin e teknologjive, motor kryesor i të cilave janë njerëzit, kërkimet e tyre dhe shpikjet. Sot do të njohim një kërkim, i cili sipas autorëve të tij është një skak të vërtetë në nanoteknologji. Si ia dolën shkencëtarëve të Universiteteve të Veriut (SHBA) të krijojnë një heterostrukturë të re dy dimensionale, pse grafeni dhe borofeni u zgjodhën si bazë dhe cilat mund të jenë karakteristikat e tilla të sistemit? Këtë do ta tregojë raporti i grupit kërkues. Le të fillojmë.
Baza e kërkimit
Termi «grafen» e kemi dëgjuar shumë herë — është një modifikim dy dimensional i karbonit, përbërë nga një shtresë atomesh të karbonit me trashësi 1 atom. Por «borofeni» haset shumë rrallë. Ky term përfaqëson një kristal dy dimensional, të përbërë ekskluzivisht nga atome bor (B). Për herë të parë, mundësia e ekzistencës së borofenit u parashikua në fillimet e viteve '90, por në praktikë, arritja e kësaj strukture është realizuar vetëm në vitin 2015.
Struktura atomike e borofenit përbëhet nga elemente trekëndëshe dhe hexagonale dhe është rezultat i interaksionit midis lidhjeve dytëqendrore dhe shumëqendrore brenda përfundimeve, që është shumë karakteristike për elementet me deficite elektronike, të cilat i përkasin borit.
*Me lidhjet dytëqendrore dhe shumëqendrore nënkuptohen lidhjet kimike — ndërveprimi midis atomeve, që karakterizon stabilitetin e molekulës ose kristalit si një strukturë të vetme. Për shembull, një lidhje dytëqendrore dy elektronike ndodh kur 2 atome ndajnë 2 elektrone, ndërsa një lidhje dytëqendrore tre elektronike ndodh kur 2 atome ndajnë 3 elektrone etj.
Nga një pikëpamje fizike, borofeni mund të jetë më i fortë dhe më fleksibël në krahasim me grafenin. Gjithashtu mendohet se strukturat borofene mund të jenë një përbërës efektiv për bateritë, pasi borofeni ka kapacitet të lartë specifik dhe veti unike të drejtimit të energjisë elektronike dhe transferimit të joneve. Megjithatë, deri tani kjo është vetëm një teori.
Duke qenë një element tri-valent*, bora ka të paktën 10 allotrop*. Në formën binjake, një polimorfizëm* observohet gjithashtu.
Elementi tri-valent* është në gjendje të formojë tre lidhje kovalente, me valenticitet të barabartë me tre.
Allotropia* është kur një element kimik mund të prezantohet në formën e dy ose më shumë substancave të thjeshta. Si një shembull, karbonin e gjejmë si diamante, grafen, grafit, nanotuba karbonikë, etj.
Polimorfizmi* është aftësia e një substance për të ekzistuar në struktura kristalorë të ndryshme (modifikime polimorfe). Në rastin e substancave të thjeshta, ky term është sinonim me allotropinë.
Duke marrë parasysh këtë polimorfizëm të gjerë, lind supozimi se borofeni mund të bëhet një kandidat i shkëlqyer për krijimin e heterostrukturave të reja binjake, pasi konfiguracionet e ndryshme të lidhjeve të borit duhet të dobësojnë kërkesat për pajtimin e rrjetit kristalor. Fatkeqësisht, problemet janë hetuar deri tani vetëm në nivel teorik për shkak të vështirësive në sintezë.
Për materialet 2D të zakonshme që janë prodhuar nga kristalet lamë të volumin, heterostrukturat vertikale mund të realizohen përmes vendosjes mekanike. Nga ana tjetër, heterostrukturat binjake laterale janë të bazuara në sintezën ngritëse. Heterostrukturat laterale me saktësi atomike kanë potencial të madh në zgjidhjen e problemeve me kontrollin e funksionaliteteve të heterokonjuktave, megjithatë për shkak të lidhjes kovalente, pajtimi i papërsosur i rrjetit zakonisht çon në një ndërfaqe të gjerë dhe të çrregullt. Prandaj, ka potencial, por ka edhe probleme në realizimin e tij.
Në këtë punim, studiuesve iu arrit të integrojnë borofenin dhe grafenin në një heterostrukturë dy dimensionale. Megjithëse kishte një moskoherencë në rrjetat kristalore dhe simetrinë mes borofenit dhe grafenit, deposita e vazhdueshme e karbonit dhe borit mbi një substrat Ag(111) në vakuum të jashtëzakonshëm (UHV) çon në një heterointerface laterale pothuajse me precizitet atomik me përputhshmëri të parashikuar të rrjetës, si dhe në heterointerfaces vertikale.
Përgatitja për studim
Para se të studiohej heterostruktura, ajo duhej të përgatitej. Rritja e grafenit dhe borofenit u realizua në një dhomë vakuumi të jashtëzakonshëm me presion 1x10-10 mili-bar.
Substrati monokristalor Ag(111) u pastrua përmes cikleve të shumta të spërkatjes Ar+(1 x 10-5 mili-bar, energjia 800 eV, 30 minuta) dhe nxehtësisë termike (550 °C, 45 minuta) deri në arritjen e një sipërfaqeje Ag(111) plotësisht të pastër dhe të sheshtë.
Rritja e grafenit u krye përmes avullimit me elektronë të një shufre grafiti të pastër (99,997%) me diametër 2.0 mm mbi substratin Ag(111) të ngrohur në 750 °C me një corrente të nxehjes prej ~ 1.6 A dhe një tension akcelerues prej ~ 2 kV, i cili ofron një trenut të emisionit prej ~ 70 mA dhe fluks karboni prej ~ 40 nA. Presioni në dhomë ishte 1 x 10-9 mili-bar.
Rritja e borofenit u realizua përmes avullimit me elektronë të një shufre borit të pastër (99,9999%) mbi një grafen të nënmonoskat që ishte ngrohur në 400-500 °C mbi Ag(111). Correnti i nxehjes ishte ~ 1.5 A, dhe tensioni akcelerues 1.75 kV, çka jepte një trenut të emisionit prej ~ 34 mA dhe fluks bore prej ~ 10 nA. Presioni në dhomë gjatë rritjes së borofenit ishte rreth 2 x 10-10 mili-bar.
Rezultatet e studimit
Imazhi Nr. 1
Në imazh 1A tregohet STM* fotografia e grafenit të rritur, ku dominet e grafenit janë më së miri vizualizuar me ndihmën e hartës dI/dV (1B), ku I dhe V — rrjedha tunelore dhe zhvendosja e mostrës, dhe d — dendësia.
STM* — mikroskopi tunelues skanues.
dI/dV hartat e mostrës lejuan të shihnim një densitet më të lartë lokal të shteteve të grafenit në krahasim me substratin Ag(111). Në përputhje me studimet e mëparshme, gjendja sipërfaqësore e Ag(111) ka një karakteristikë shkallore, e cila është zhvendosur drejt energjive pozitive në dI/dV spektrin e grafenit (1C), çka shpjegon densitetin më të lartë lokal të shteteve të grafenit mbi 1B në 0.3 eV.
Në imazh 1D ne mund të shohim strukturën e grafenit njëoshtor, ku struktura e rrjetës është qartë e dukshme dhe struktura moire*.
Shtresa* — një veçori e strukturës së lidhjeve kristalor, e cila përsëritet me një interval të caktuar dhe krijon kështu një strukturë të re me një periudhë tjetër alternimi.
Moiré* — mbivendosja e dy grilave periodike njëra mbi tjetrën.
Në temperatura më të ulëta, rritja çon në formimin e grupeve dendritike dhe defektive grafenike. Për shkak të ndërveprimeve të dobëta mes grafenit dhe substratit poshtë, orientimi rotativ i grafenit në lidhje me Ag (111) nënlidhës nuk është unik.
Pas depozitimit të borit, mikroskopia tunneling skanuese (1E) tregoi praninë e lidhjes së grupeve borofenike dhe grafenike. Gjithashtu, në imazh duken zona brenda grafenit, të cilat më vonë u përcaktuan si grafen e interkalizuar me bor (të shënuar në fotografi Gr/B). Në këtë zonë gjithashtu duken qartë elemente lineare, të orientuara në tri drejtime të ndara me një kënd prej 120 ° (shigjetat e verdha).
Imazhi №2
Fotografia në 2A, si dhe 1E, konfirmojnë shfaqjen e thellësive të lokalizuara (depresioneve) në grafen pas depozitimit të borit.
Për të parë më mirë këto formacione dhe për të zbuluar origjinën e tyre, u bë një fotografi tjetër e të njëjtës zonë, por duke aplikuar karta |dlnI/dz| (2В), где I — rrjedha tunneling, d — dendësia, dhe z — ndarja sondë-sampëll (hapësira midis gjilpërës së mikroskopit dhe sampëllit). Përdorimi i kësaj metodologjie lejon për të marrë imazhe me një rezolutë më të madhe hapësinore. Gjithashtu, për këtë mund të përdoret CO ose H2 në gjilpërën e mikroskopit.
Imazhi 2C është një fotografi e marrë me STM, gjilpëra e të cilit ishte e mbuluar me CO. Krahasimi i imazheve A, Në dhe D tregon se të gjithë elementët atomikë identifikohen si tre hexagone të ndriçuara ngjitur, të orientuara në dy drejtime jo-ekvivalente (triangat e kuqe dhe të verdha në fotografi).
Imazhet e zgjeruara të kësaj zone (2D) konfirmojnë se këta elementë janë në përputhje me impuritetet leguruese të borit, duke zënë dy nënrrjeta të grafenit, të cilat i tregojnë edhe strukturat e mbivendosura.
Mbulesa e CO e gjilpërës së mikroskopit lehoi identifikimin e strukturës gjeometrike të fletës së borofenit (2E), që do të ishte e pamundur, nëse gjilpëra do të ishte standarde (metalike) pa mbulesë CO.
Imazhi Nr. 3
Formimi i heterointerfaceve laterale midis borofenit dhe grafenit (3A) duhet të ndodhë në rastin kur borofeni rritet afër fushave të grafenit, në të cilin tashmë ka bor.
Shkencëtarët kujtojnë se heterointerfaceve laterale të bazuar në grafen-hBN (grafen + nitrid bor) kanë koherencën e rrjetit, ndërsa heteroçkurqet e bazuara në dikhalkogenidët e metaleve kalimtare — kanë koherencën e simetrive. Në rastin e grafenit/borofenit situata është paksa ndryshe — ato kanë një ngjashmëri minimale strukturore nga pikëpamja e përhershmërisë së rrjetit ose simetrisë kristaline. Sidoqoftë, përkundër kësaj, heterointerfaceja laterale grafen/borofen tregon një koherencë atomike praktikisht ideale, ndërsa drejtimet e rënditjes së borit (B-row) janë të bashkuara me drejtimet zigzag (ZZ) të grafenit (3A). Në 3B tregohet një imazh i rritur i zonës ZZ të heterointerfaceve (me linjat blu të shënuara që tregojnë elementet ndërfazore, përkatësisht lidhjet kovalente bor-karbon).
Deri sa rritja e borofenit bëhet në një temperaturë më të ulët krahasuar me grafenin, skajet e fushës grafenike me siguri nuk do të kenë lëvizshmëri të lartë gjatë formimit të heterointerfaceve me borofenin. Si rezultat, heterointerfaceja e saktë gati atomike është mjaftë e mundur të jetë rezultat i konfiguracioneve dhe karakteristikave të lidhjeve shumëqendrore të borit. Spektrat e spektroskopisë së tunelimit të skanimit (3C) dhe conducibilitetit tunelues diferencial (3D) tregojnë se kalimi elektronik nga grafeni në borofen ndodh në një distancë ~ 5 Å pa gjendje të dukshme ndërfaqe.
Në imazh 3E tregojnë tre spektra të spektroskopisë së tunelimit të skanimit, të bëra përgjatë tre vijave të pikëzuara në 3D, të cilat konfirmojnë se ky kalim elektronik i shkurtër nuk është i ndjeshëm ndaj strukturave lokale ndërfazore dhe është i krahasueshëm me atë në kufijtë borofen-silver.
Imazhi Nr. 4
Grafenit interkalimi* më parë gjithashtu është studiuar gjerësisht, megjithatë transformimi i interkalantëve në fletë reale 2D është një fenomen relativisht i rrallë.
Interkalimi* është përfshirja e kthyeshme e një molekule ose grupi molekulash midis molekulave të tjera ose grupeve të molekulave.
Radia atomike të vogla të borit dhe ndërveprimi i dobët mes grafenit dhe Ag (111) sugjerojnë mundësinë e interkalacionit të grafenit me bor. Në imazh 4A është paraqitur dëshmia jo vetëm e interkalacionit të borit, por edhe e formimit të heterostrukturave vertikale të borofen-grafen, veçanërisht të domenëve triangularë të rrethuar nga grafeni. Rrjeta celulare e vërejtur në këtë domen triangular konfirmon pr presence presentin e grafenit. Megjithatë, ky grafen tregon një densitet lokal të gjendjeve më të ulët në -50 meV në krahasim me grafenin përreth (4B). Krahasuar me grafenin direkt mbi Ag (111), mungesa e shenjave të densitetit të lartë lokal të gjendjeve në spektrin dI/dV (4C, kurba blu), e cila i korrespondon gjendjes superfaqësore të Ag (111), është prova e parë e interkalacionit të borit.
Ashtu siç pritej për interkalacionin e pjesshëm, rrjeta grafenike mbetet e vazhdueshme në të gjithë ndërfaqen anësore midis grafenit dhe zonës triangulare (4D — i korrespondon një zone katrore në 4A, e rrethuar me vijë të kuqe të ndërprerë). Një pamje e bërë me një N69 mbi majën e mikroskopit gjithashtu konfirmoi praninë e primereve zëvendësuese të borit (4E — i korrespondon një zone katrore në 4A, e rrethuar me vijë të verdhë të ndërprerë).
Gjatë analizës, gjithashtu u përdorën maja mikroskopi pa ndonjë mbulesë. Në këtë rast, në domenët e interkalacionit të grafenit u gjetën shenja të elementeve lineare njëdimensional me periodicitet prej 5 Å (4F dhe 4G). Këto struktura njëdimensionale i ngjajnë seri të borit në modelin e borofenit. Përveç një grupi pikash që i korrespondon grafenit, transformimi i Fourier-it të imazhit në 4G tregon një çift pikash ortogonale, që i korrespondon rrjetës katrore 3 Å x 5 Å (4H), që përputhet mrekullisht me modelin e borofenit. Për më tepër, orientojimi i trefishtë i vërejtur i rrjetës së elementeve lineare (1E) përputhet mirë me të njëjtën strukturë mbizotëruese, e vërejtur për fletët e borofenit.
Të gjitha këto vëzhgime dëshmojnë bindshëm për interkalacionin e grafenit me borofen pranë skajit të Ag, e cila, si pasojë, çon në formimin e heterostrukturave vertikale borofen-grafen, që mund të realizohen kryesisht përmes rritjes së mbuluar të grafenit.
4I është një paraqitje skematike e heterostrukturës vertikale mbi 4H, ku drejtimi i rendit të borit (shigjeta rozë) është afërsisht në përputhje me drejtimin zigzag të grafenit (shigjeta e zezë), duke formuar kështu një heterostrukturë vertikale me përmasë rrotulluese.
Për një njohje më të detajuar të nuancave të hulumtimit, rekomandoj të shikoni në dhe për të.
Epilogu
Kjo studim tregoi se borofeni është plotësisht në gjendje të formojë heterostruktura laterale dhe vertikale me grafenin. Sistemet e tilla mund të përdoren në zhvillimin e tipeve të reja të elementeve dy-dimensionale që përdoren në nanoteknologji, elektronike fleksibël dhe të veshshme, si dhe në tipe të reja të gjysmëpërçuesve.
Vetë studiuesit besojnë se zhvillimi i tyre mund të jetë një nxitje e fuqishme për teknologjitë e lidhura me elektronikën. Megjithatë, është ende e vështirë të thuhet me siguri nëse fjalët e tyre do të bëhen profetike. Aktualisht, ka ende shumë për të shqyrtuar, kuptuar dhe shpikur për të bërë që ato ide shkencore-fantastike që mbushin mendjet e shkencëtarëve të bëhen një realitet i plotë.
Faleminderit për vëmendjen, mbetuni kuriozë dhe ju uroj një javë të mirë pune, djem. 🙂
Faleminderit që po qëndroni me ne. Ju pëlqen artikujt tanë? Doni të shihni më shumë materiale interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar tek miqtë tuaj, 30% zbritje për përdoruesit e Habra në një analog unik të serverëve entry-level, të cilin e kemi shpikur për ju: (opcionet me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40GB DDR4 janë të disponueshme).
Dell R730xd për dy herë më lirë? Vetëm te ne në Holandë! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — nga $99! Lexoni rreth
Burimi: habr.com
