“Mutacioni është çelësi për të zbuluar misterin e evolucionit. Rruga e zhvillimit nga organizmi më i thjeshtë në speciet biologjike mbizotëruese zgjat mijëra vjet. Por çdo njëqind mijë vjet ka një hap të mprehtë përpara në evolucion” (Charles Xavier, X-Men, 2000). Nëse i hedhim poshtë të gjithë elementët fantastiko-shkencor të pranishëm në komike dhe filma, atëherë fjalët e Profesor X janë mjaft të vërteta. Zhvillimi i diçkaje vazhdon në mënyrë të barabartë shumicën e kohës, por ndonjëherë ka kërcime që kanë një ndikim të madh në të gjithë procesin. Kjo vlen jo vetëm për evolucionin e specieve, por edhe për evolucionin e teknologjisë, shtytësi kryesor i së cilës janë njerëzit, kërkimet dhe shpikjet e tyre. Sot do të njihemi me një studim që sipas autorëve të tij është një hap i vërtetë evolucionar në nanoteknologji. Si arritën shkencëtarët nga Universiteti Northwestern (SHBA) të krijonin një heterostrukturë të re dy-dimensionale, pse u zgjodhën grafeni dhe borofeni si bazë dhe çfarë vetish mund të ketë një sistem i tillë? Raporti i grupit hulumtues do të na tregojë për këtë. Shkoni.
Baza e studimit
Ne e kemi dëgjuar shumë herë termin "grafen"; është një modifikim dydimensional i karbonit, i përbërë nga një shtresë atomesh karboni me trashësi 1 atom. Por "borofen" është jashtëzakonisht i rrallë. Ky term i referohet një kristal dydimensional që përbëhet vetëm nga atome të borit (B). Mundësia e ekzistencës së borofenit u parashikua për herë të parë në mesin e viteve '90, por në praktikë kjo strukturë u mor vetëm në vitin 2015.
Struktura atomike e borofenit përbëhet nga elemente trekëndore dhe gjashtëkëndore dhe është pasojë e bashkëveprimit midis lidhjeve në plan dyqendrore dhe shumëqendrore, gjë që është shumë tipike për elementët me mungesë elektrone, ku përfshihet bori.
*Me lidhje dyqendrore dhe shumëqendrore kuptojmë lidhjet kimike - ndërveprimet e atomeve që karakterizojnë qëndrueshmërinë e një molekule ose kristali si një strukturë e vetme. Për shembull, një lidhje me dy elektrone me dy qendra ndodh kur 2 atome ndajnë 2 elektrone, dhe një lidhje me dy qendra me tre elektrone ndodh kur 2 atome dhe 3 elektrone, etj.
Nga pikëpamja fizike, borofeni mund të jetë më i fortë dhe më fleksibël se grafeni. Besohet gjithashtu se strukturat e borofenit mund të jenë një plotësues efektiv për bateritë, sepse borofeni ka kapacitet të lartë specifik dhe veti unike të përçueshmërisë elektronike dhe transportit të joneve. Megjithatë, për momentin kjo është vetëm një teori.
të qenë element trevalent*, bor ka të paktën 10 alotrope *. Në formë dydimensionale, të ngjashme polimorfizëm* vërehet gjithashtu.
Element trevalent* të aftë për të formuar tre lidhje kovalente, valenca e të cilave është tre.
alotropi* - kur një element kimik mund të paraqitet në formën e dy ose më shumë substancave të thjeshta. Si shembull, karboni - diamant, grafeni, grafiti, nanotubat e karbonit, etj.
Polimorfizëm* - aftësia e një lënde për të ekzistuar në struktura të ndryshme kristalore (modifikime polimorfike). Në rastin e substancave të thjeshta, ky term është sinonim i alotropisë.
Duke pasur parasysh këtë polimorfizëm të gjerë, sugjerohet që borofeni mund të jetë një kandidat i shkëlqyeshëm për krijimin e heterostrukturave të reja dy-dimensionale, pasi konfigurimet e ndryshme të lidhjes së borit duhet të lehtësojnë kërkesat e përputhjes së rrjetës. Fatkeqësisht, kjo çështje është studiuar më parë ekskluzivisht në nivelin teorik për shkak të vështirësive në sintezë.
Për materialet konvencionale 2D të marra nga kristalet me shtresa të mëdha, heterostrukturat vertikale mund të realizohen duke përdorur grumbullimin mekanik. Nga ana tjetër, heterostrukturat anësore dydimensionale bazohen në sintezën nga poshtë-lart. Heterostrukturat anësore atomike të sakta kanë potencial të madh në zgjidhjen e problemeve të kontrollit funksional të heterobashkimit, megjithatë, për shkak të lidhjes kovalente, përputhja e papërsosur e rrjetës zakonisht rezulton në ndërfaqe të gjera dhe të çrregullta. Prandaj, ka potencial, por ka edhe probleme në realizimin e tij.
Në këtë punë, studiuesit arritën të integrojnë borofenin dhe grafenin në një heterostrukturë dy-dimensionale. Pavarësisht mospërputhjes dhe simetrisë së rrjetës kristalografike midis borofenit dhe grafenit, depozitimi i njëpasnjëshëm i karbonit dhe borit në një substrat Ag(111) nën vakum ultra të lartë (UHV) rezulton në heterondërfaqe anësore pothuajse atomike të sakta me rreshtime të parashikuara të rrjetës vertikale, si dhe më shumë. .
Përgatitja për studimin
Përpara se të studiohej heterostruktura, ajo duhej të fabrikohej. Rritja e grafenit dhe borofenit u krye në një dhomë vakum ultra të lartë me një presion prej 1x10-10 milibar.
Substrati me një kristal Ag(111) u pastrua me cikle të përsëritura të spërkatjes së Ar+ (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 minuta) dhe pjekjes termike (550 °C, 45 minuta) për të marrë një Ag(111) të pastër dhe të sheshtë atomikisht XNUMX) Sipërfaqja. .
Grafeni u rrit me avullimin e rrezeve elektronike të një shufre grafiti të pastër (99,997%) me një diametër 2.0 mm në një nënshtresë Ag (750) të ngrohur në 111 °C me një rrymë ngrohjeje prej ~ 1.6 A dhe një tension përshpejtues prej ~ 2 kV , e cila jep një rrymë emetimi prej ~ 70 mA dhe fluks karboni ~ 40 nA. Presioni në dhomë ishte 1 x 10-9 milibar.
Borofeni u rrit përmes avullimit të rrezeve elektronike të një shufre bori të pastër (99,9999%) në grafen nënshtresore në Ag (400) të ngrohur në 500-111 °C. Rryma e filamentit ishte ~ 1.5 A dhe tensioni i përshpejtimit ishte 1.75 kV, që jep një rrymë emetimi prej ~ 34 mA dhe një fluks bori prej ~ 10 nA. Presioni në dhomë gjatë rritjes së borofenit ishte afërsisht 2 x 10-10 milibar.
Rezultatet e studimit
Imazhi numër 1
Në imazh 1A tregohet STM* një fotografi e grafenit të rritur, ku domenet e grafenit vizualizohen më së miri duke përdorur një hartë dI/dV (1V), ku I и V janë rryma e tunelit dhe zhvendosja e mostrës, dhe d - dendësia.
STM* — mikroskopi skanues i tunelit.
dI/dV hartat e kampionit na lejuan të shohim një densitet më të lartë lokal të gjendjeve të grafenit në krahasim me substratin Ag (111). Në përputhje me studimet e mëparshme, gjendja sipërfaqësore e Ag (111) ka një karakteristikë hapi, e zhvendosur drejt energjive pozitive nga dI/dV spektri i grafenit (1S), që shpjegon densitetin më të lartë lokal të gjendjeve të grafenit në 1V në 0.3 eV.
Në imazh 1D mund të shohim strukturën e grafenit me një shtresë, ku rrjeta e huallit dhe superstrukturë moiré*.
superstrukturë* - një tipar i strukturës së një përbërjeje kristalore që përsëritet në një interval të caktuar dhe kështu krijon një strukturë të re me një periudhë të ndryshme alternimi.
Moire* - mbivendosje e dy modeleve periodike rrjetë mbi njëra-tjetrën.
Në temperatura më të ulëta, rritja çon në formimin e domeneve dendritike dhe të dëmtuara të grafenit. Për shkak të ndërveprimeve të dobëta midis grafenit dhe nënshtresës bazë, shtrirja rrotulluese e grafenit në lidhje me Ag(111) nuk është unike.
Pas depozitimit të borit, mikroskopi skanues i tunelit (1E) tregoi praninë e një kombinimi të domeneve borofen dhe grafen. Gjithashtu të dukshme në imazh janë rajone brenda grafenit, të cilat më vonë u identifikuan si grafen i ndërthurur me borofen (tregohet në imazh Gr/B). Elementet lineare të orientuar në tre drejtime dhe të ndara me një kënd prej 120° janë gjithashtu të dukshme në këtë zonë (shigjeta të verdha).
Imazhi numër 2
Foto në 2Apo ashtu 1E, konfirmojnë shfaqjen e depresioneve të errëta të lokalizuara në grafen pas depozitimit të borit.
Për të ekzaminuar më mirë këto formacione dhe për të gjetur origjinën e tyre, është bërë një fotografi tjetër e së njëjtës zonë, por duke përdorur hartat |dlnI/dz| (2B), ku I - rryma e tunelit, d është dendësia, dhe z — ndarja sondë-kampion (hendeku midis gjilpërës së mikroskopit dhe kampionit). Përdorimi i kësaj teknike bën të mundur marrjen e imazheve me rezolucion të lartë hapësinor. Ju gjithashtu mund të përdorni CO ose H2 në gjilpërën e mikroskopit për këtë.
Изображение 2S është një imazh i marrë duke përdorur një STM, maja e së cilës ishte e veshur me CO. Krahasimi i imazheve А, В и С tregon se të gjithë elementët atomikë përcaktohen si tre gjashtëkëndësha të ndritshëm ngjitur të drejtuar në dy drejtime jo ekuivalente (trekëndëshat e kuq dhe të verdhë në fotografi).
Imazhe të zgjeruara të kësaj zone (2D) konfirmoni që këta elementë janë në përputhje me papastërtitë e ngopjes së borit, duke zënë dy nëngrilca grafeni, siç tregohet nga strukturat e mbivendosura.
Veshja me CO e gjilpërës së mikroskopit bëri të mundur zbulimin e strukturës gjeometrike të fletës së borofenit (2E), gjë që do të ishte e pamundur nëse gjilpëra do të ishte standarde (metalike) pa shtresë CO.
Imazhi numër 3
Formimi i heterondërfaqeve anësore midis borofenit dhe grafenit (3A) duhet të ndodhë kur borofeni rritet pranë domeneve të grafenit që tashmë përmbajnë bor.
Shkencëtarët kujtojnë se heterondërfaqet anësore të bazuara në grafen-hBN (grafen + nitrid bor) kanë konsistencë grilë, dhe heterobashkimet e bazuara në dikalkogjenidet e metaleve kalimtare kanë qëndrueshmëri simetrie. Në rastin e grafenit/borofenit, situata është paksa e ndryshme - ato kanë ngjashmëri minimale strukturore për sa i përket konstantave të rrjetës ose simetrisë kristalore. Megjithatë, pavarësisht nga kjo, ndërfaqja heterondërore e grafenit/borofenit tregon qëndrueshmëri atomike pothuajse të përsosur, me drejtimet e rreshtit të borit (rreshti B) të përafruar me drejtimet zigzag (ZZ) të grafenit (3A) Aktiv 3V tregohet një imazh i zmadhuar i rajonit ZZ të ndërfaqes heterointerale (vijat blu tregojnë elementet ndërfaqesore që korrespondojnë me lidhjet kovalente bor-karbon).
Meqenëse borofeni rritet në një temperaturë më të ulët në krahasim me grafenin, skajet e domenit të grafenit nuk kanë gjasa të kenë lëvizshmëri të lartë kur formojnë një ndërfaqe heteroinike me borofenin. Prandaj, heterondërfaqja thuajse e saktë atomike ka të ngjarë të jetë rezultat i konfigurimeve dhe karakteristikave të ndryshme të lidhjeve të borit shumëvendësh. Skanimi i spektrit të spektroskopisë së tunelit (3S) dhe përçueshmëri diferenciale e tunelit (3D) tregojnë se kalimi elektronik nga grafeni në borofen ndodh në një distancë prej ~ 5 Å pa gjendje të dukshme të ndërfaqes.
Në imazh 3E Tregohen tre spektra të spektroskopisë së tunelit të skanimit të marra përgjatë tre vijave të ndërprera në 3D, të cilat konfirmojnë se ky tranzicion i shkurtër elektronik është i pandjeshëm ndaj strukturave ndërfaqesore lokale dhe është i krahasueshëm me atë në ndërfaqet borofen-argjend.
Imazhi numër 4
Grafeni ndërthurje* gjithashtu është studiuar gjerësisht më parë, por shndërrimi i ndërkalantëve në fletë të vërteta 2D është relativisht i rrallë.
Ndërhyrje* - përfshirja e kthyeshme e një molekule ose grupi molekulash ndërmjet molekulave të tjera ose grupeve të molekulave.
Rrezja e vogël atomike e borit dhe ndërveprimi i dobët midis grafenit dhe Ag(111) sugjerojnë ndërthurjen e mundshme të grafenit me borin. Në imazh 4A paraqiten dëshmi jo vetëm të ndërthurjes së borit, por edhe të formimit të heterostrukturave vertikale borofen-grafen, veçanërisht domenet trekëndore të rrethuara nga grafeni. Rrjeta e huallit të vrojtuar në këtë fushë trekëndore konfirmon praninë e grafenit. Megjithatë, ky grafen shfaq një densitet më të ulët lokal të gjendjeve në -50 meV në krahasim me grafenin përreth (4V). Krahasuar me grafenin direkt në Ag (111), nuk ka asnjë dëshmi të një densiteti të lartë lokal të gjendjeve në spektër dI/dV (4C, kurba blu), që korrespondon me gjendjen e sipërfaqes Ag(111), është dëshmia e parë e ndërthurjes së borit.
Gjithashtu, siç pritej për ndërthurjen e pjesshme, rrjeta e grafenit mbetet e vazhdueshme gjatë gjithë ndërfaqes anësore midis grafenit dhe rajonit trekëndor (4D - korrespondon me një zonë drejtkëndore në 4A, i rrethuar me vijë të kuqe me pika). Një imazh duke përdorur CO në një gjilpërë mikroskop konfirmoi gjithashtu praninë e papastërtive të zëvendësimit të borit (4E - korrespondon me një zonë drejtkëndore në 4A, i rrethuar në vijë të verdhë me pika).
Gjatë analizës janë përdorur edhe gjilpëra të mikroskopit pa asnjë shtresë. Në këtë rast, shenjat e elementeve lineare njëdimensionale me një periodicitet prej 5 Å u zbuluan në domenet e ndërlidhura të grafenit (4F и 4G). Këto struktura njëdimensionale ngjajnë me rreshtat e borit në modelin e borofenit. Përveç grupit të pikave që korrespondojnë me grafenin, transformimi i Fourierit të imazhit në 4G shfaq një çift pikash ortogonale që korrespondojnë me një rrjetë drejtkëndore 3 Å x 5 Å (4H), i cili është në përputhje të shkëlqyer me modelin e borofenit. Përveç kësaj, orientimi i trefishtë i vëzhguar i grupit të elementeve lineare (1E) pajtohet mirë me të njëjtën strukturë mbizotëruese të vërejtur për fletët e borofenit.
Të gjitha këto vëzhgime sugjerojnë fuqimisht ndërthurjen e grafenit nga borofeni pranë skajeve të Ag, gjë që rrjedhimisht çon në formimin e heterostrukturave vertikale borofen-grafen, të cilat mund të realizohen në mënyrë të favorshme duke rritur mbulimin fillestar të grafenit.
4I është një paraqitje skematike e një heterostrukture vertikale në 4H, ku drejtimi i rreshtit të borit (shigjeta rozë) është i lidhur ngushtë me drejtimin zigzag të grafenit (shigjeta e zezë), duke formuar kështu një heterostrukturë vertikale proporcionale rrotulluese.
Për një kuptim më të detajuar të nuancave të studimit, unë rekomandoj t'i hidhni një sy и atij
epilog
Ky studim tregoi se borofeni është mjaft i aftë të formojë heterostruktura anësore dhe vertikale me grafen. Sisteme të tilla mund të përdoren në zhvillimin e llojeve të reja të elementeve dy-dimensionale të përdorura në nanoteknologji, elektronikë fleksibël dhe të veshur, si dhe lloje të reja të gjysmëpërçuesve.
Vetë studiuesit besojnë se zhvillimi i tyre mund të jetë një shtytje e fuqishme përpara për teknologjitë e lidhura me elektronikën. Megjithatë, është ende e vështirë të thuhet me siguri se fjalët e tyre do të bëhen profetike. Për momentin, ka ende shumë për të hulumtuar, kuptuar dhe shpikur, në mënyrë që ato ide fantastiko-shkencore që mbushin mendjet e shkencëtarëve të bëhen një realitet i plotë.
Faleminderit për leximin, qëndroni kurioz dhe ju uroj një javë të mbarë djema. 🙂
Faleminderit që qëndruat me ne. A ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni përmbajtje më interesante? Na mbështesni duke bërë një porosi ose duke rekomanduar miqve, 30% zbritje për përdoruesit e Habr në një analog unik të serverëve të nivelit të hyrjes, i cili u shpik nga ne për ju: (e disponueshme me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 herë më lirë? Vetëm këtu në Holandë! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - nga 99 dollarë! Lexoni rreth
Burimi: www.habr.com