«Mutacioni është çelësi për të zgjidhur enigmën e evolucionit. Rruga e zhvillimit nga organizmat më të thjeshtë deri te speciet biologjike dominues zgjat mijëra vjet. Por çdo qind mijë vjet në evolucion ndodh një hap përpara i papritur» (Charles Xavier, X-Men, viti 2000). Nëse heqim çdo element shkencor-fantastik, të pranishëm në komikë dhe filma, fjalët e profesor X janë plotësisht të vërteta. Zhvillimi i diçkaje ndodh njëlloj për një periudhë të gjatë, por ndonjëherë ndodhin hapa që kanë ndikim të madh në tërë procesin. Kjo është e vërtetë jo vetëm për evolucionin e specieve, por edhe për evolucionin e teknologjive, motor kryesor i të cilave janë njerëzit, hulumtimet e tyre dhe shpikjet. Sot do të njohim me një hulumtim që sipas autorëve të tij është një hap evolucionar i vërtetë në nanoteknologji. Si arritën shkencëtarët nga Universiteti Northwestern (SHBA) të krijojnë një strukturë të re dy-dimensionale heterostrukturore, përse u zgjodhën grafeni dhe borofeni si baza, dhe çfarë vetive mund të ketë një sistem i tillë? Për këtë do të na tregojë raporti i grupit të hulumtimit. Le të fillojmë.
Baza e studimit
Termi «grafeni» e kemi dĂ«gjuar shumĂ« herĂ« â kjo Ă«shtĂ« njĂ« modifikim dy-dimensional i karbonit, qĂ« pĂ«rbĂ«het nga njĂ« shtresĂ« atomesh tĂ« karbonit me trashĂ«si 1 atom. NdĂ«rsa terme «borofeni» Ă«shtĂ« shumĂ« i rrallĂ«. Ky term pĂ«rshkruan njĂ« kristal dy-dimensional, i pĂ«rbĂ«rĂ« ekskluzivisht nga atomet e borit (B). MundĂ«sia e ekzistencĂ«s sĂ« borofenit u parashikua pĂ«r herĂ« tĂ« parĂ« nĂ« mes tĂ« viteve '90, por nĂ« praktikĂ« arritĂ«n tĂ« prodhojnĂ« kĂ«tĂ« strukturĂ« vetĂ«m nĂ« vitin 2015.
Struktura atomike e borofenit përbëhet nga elementë trekëndësh dhe hekzakonalë dhe është pasojë e ndërveprimeve midis lidhjeve dy-qendrore dhe shumë-qendrore brenda avllisë, që është shumë karakteristike për elementët me mungesë elektronesh, për të cilët përfshihet edhe bora.
*Me lidhjet dy-qendrore dhe shumĂ«-qendrore nĂ«nkuptohen lidhje kimike â ndĂ«rveprime atomesh, qĂ« karakterizojnĂ« stabilitetin e molekulĂ«s apo kristalit si njĂ« strukturĂ« tĂ« vetme. PĂ«r shembull, lidhja dy-qendrore dy-elektronike ndodh kur 2 atome ndajnĂ« 2 elektrone mes tyre, dhe lidhja dy-qendrore tri-elektronike ndodh kur 2 atome ndajnĂ« 3 elektrone etj.
Nga pikëpamja fizike, borofeni mund të jetë më i fortë dhe më elastik se grafeni. Po ashtu, struktura borofene konsiderohet të jetë një shtesë efektive për bateritë, pasi borofeni ka një kapacitet të lartë specifik dhe veti unike të udhëheqjes elektronike dhe transferimit të jonit. Megjithatë, deri tani kjo është vetëm një teori.
Duke qenë element tri-valent*, bora ka të paktën 10 allotrop*. Në formën e dyfishtë, një polimorfizëm* vërehet gjithashtu.
Elementi tri-valent* është në gjendje të formojë tri lidhje kovalente, me valencë të barabartë me tre.
Allotropia* â kur njĂ« element kimik mund tĂ« paraqitet nĂ« formĂ«n e dy ose mĂ« shumĂ« substancave tĂ« thjeshta. Si shembull, karboni Ă«shtĂ« diamanti, grafeni, grafiti, nanotubet e karbonit, etj.
Polimorfizmi* â aftĂ«sia e njĂ« substance pĂ«r tĂ« ekzistuar nĂ« struktura kristalor tĂ« ndryshme (modifikime polimorfe). NĂ« rastin e substancave tĂ« thjeshta, ky term Ă«shtĂ« sinonim i allotropisĂ«.
Duke e tillë polimorfizmi i gjerë, lind supozimi se borofeni mund të bëhet një kandidat i shkëlqyer për krijimin e strukturave të reja dy-dimensionale, për shkak se konfigurimet e ndryshme të lidhjeve të borit duhet të zbusin kërkesat për pajtimin e rrjetit kristalor. Fatkeqësisht, deri më tani, kjo çështje është studiuar ekskluzivisht në nivelin teorik për shkak të vështirësive në sintezë.
Për materialet e zakonshme 2D, të marra nga kristalet e volumuara, heterostrukturat vertikale mund të arrihen përmes vendosjes mekanike. Nga ana tjetër, heterostrukturat dy-dimensionale laterale janë të bazuara në sintezën në rritje. Heterostrukturat laterale me saktësi atomike kanë një potencial të madh në zgjidhjen e problemeve me kontrollin e funksionalitetit të hetero-kalimeve, megjithatë, për shkak të lidhjes kovalente, pajtimi i papërsosur i rrjetit zakonisht shkakton interface të gjera dhe të çrregullta. Prandaj, ka potencial, por ka edhe probleme në realizimin e tij.
Në këtë punim, studiuesit arritën të integrojnë borofen dhe grafen në një heterostrukturë dy-dimensionale. Megjithëse ka një moskorespondencë në rrjetat kristalografike dhe simetrinë midis borofenit dhe grafenit, depozitimi i vazhdueshëm i karbonit dhe borit mbi një substrat Ag(111) në kushte vakuumi shumë të lartë (HV) çon në heterointerfaces laterale pothuajse atomikisht të sakta me rreshtime të parashikuara të rrjetës, si dhe në heterointerfaces vertikale.
Përgatitja për studim
Para se të studijohej heterostruktura, ajo duhej të prodhohej. Rritja e grafenit dhe borofenit u krye në një dhomë të vakuumit shumë të lartë me presion 1x10-10 mili bar.
Substrati monokristaline Ag(111) u pastrua përmes cikleve të përsëritura të spërkatjes me Ar+ (1 x 10-5 mili bar, energjia 800 eV, 30 minuta) dhe annealing termik (550 °C, 45 minuta) deri sa u arrit një sipërfaqe atomikisht të pastër dhe të sheshtë Ag(111).
Rritja e grafenit u realizua përmes avullimit me rreze elektronike të një shufre grafiti të pastër (99,997%) me diametër 2.0 mm mbi një substrat Ag (111) të ngrohur deri në 750 °C me një rrymë prej ~ 1.6 A dhe një tension përshpejtimi prej ~ 2 kV, që jep një rrymë emisioni prej ~ 70 mA dhe një fluks karboni prej ~ 40 nA. Presioni në dhomë ishte 1 x 10-9 millibar.
Rritja e borofenit u realizua përmes avullimit me rreze elektronike të një shufre boronit të pastër (99,9999%) mbi një grafen submonoshtresë të ngrohur deri në 400-500 °C mbi Ag (111). Rryma e ngrohjes ishte ~ 1.5 A, ndërsa tensioni i përshpejtimit ishte 1.75 kV, që jep një rrymë emisioni prej ~ 34 mA dhe një fluks boroni prej ~ 10 nA. Presioni në dhomë gjatë rritjes së borofenit ishte rreth 2 x 10-10 millibar.
Rezultatet e hulumtimit
Imazhi â1
NĂ« imazhin 1A tregohet STM* fotografia e grafenit tĂ« rritur, ku domainet e grafenit visualizohen mĂ« sĂ« miri me anĂ« tĂ« hartĂ«s dI/dV (1V), ku I dhe V â rryma tunelore dhe shpĂ«rndarja e mostrĂ«s, dhe d â dendĂ«sia.
STM* â mikroskopi tunelor skanimi.
dI/dV kartat e mostrave treguan një densitet më të lartë lokal të gjendjeve të grafenit krahasuar me nënllokun Ag (111). Sipas studimeve të mëparshme, gjendja sipërfaqësore Ag (111) ka një karakteristikë shkallore, të zhvendosur në drejtim të energjive pozitive në dI/dV spektin e grafenit (1C), e cila shpjegon densitetin më të lartë lokal të gjendjeve të grafenit në 1V në 0.3 eV.
Në imazhin 1D ne mund të shohim strukturën e grafenit njëlaqësor, ku është qartë e dukshme grila e celulave dhe superstruktura moiré*.
superstruktura* â karakteristika e strukturĂ«s sĂ« njĂ« lidhjeje kristaline, e cila pĂ«rsĂ«ritet me njĂ« interval tĂ« caktuar dhe krijon kĂ«shtu njĂ« strukturĂ« tĂ« re me njĂ« periudhĂ« tjetĂ«r alternimi.
MoirĂ©* â mbivendosja e dy modeleve periodike tĂ« rrjetave mbi njĂ«ra-tjetrĂ«n.
Në temperatura më të ulëta, rritja çon në formimin e domain-ve dendritike dhe defektive të grafenit. Për shkak të ndërveprimeve të dobëta mes grafenit dhe nënllokut, orientimi rotativ i grafenit në raport me Ag (111) nuk është unik.
Pas depozitimit të borit, mikroskopia e tunnelingut skanimi (1E) tregoi praninë e lidhjeve të domenit të borofenit dhe grafenit. Gjithashtu, në fotos duken zona brenda grafenit, të cilat më vonë u përcaktuan si grafen i interkaluar me borofen (i shënuar në foto Gr/B). Në këtë zonë gjithashtu duken qartë elementet lineare, të orientuara në tre drejtime dhe të ndara me një kënd 120 ° (shigjetat e verdha).
Imazhi â2
Fotoja në 2A, ashtu si 1E, konfirmojnë shfaqjen e depresioneve të lokalizuara (thellësive) në grafen pas depozitimit të borit.
PĂ«r tĂ« shqyrtuar mĂ« mirĂ« kĂ«to formacione dhe pĂ«r tĂ« zbuluar origjinĂ«n e tyre, u bĂ« njĂ« foto tjetĂ«r e tĂ« njĂ«jtĂ«s zonĂ«, por me pĂ«rdorimin e kartave |dlnI/dz| (2Đ), гЎД I â rrjedha tunelore, d â dendĂ«sia, dhe z â ndarja sondĂ«-sampĂ«ll (hapĂ«sira midis njollĂ«s sĂ« mikroskopit dhe kampionit). PĂ«rdorimi i kĂ«saj metodologjie lejon marrjen e imazheve me rezolucion mĂ« tĂ« lartĂ« hapĂ«sinor. Gjithashtu, pĂ«r kĂ«tĂ« mund tĂ« pĂ«rdoret CO ose H2 nĂ« gjilpĂ«rĂ«n e mikroskopit.
Imazh 2C është një foto, e marrë me STM, me gjilpërën e saj të mbuluar me CO. Krahasimi i fotos Dhe, Në dhe S tregon se të gjithë elementët atomikë përcaktohen si tri hexagone të ndritshme fqinjësore, të orientuara në dy drejtime jo-ekvivalentë (triangujt e kuq dhe të verdhë në imazhe).
Imazhet e zmadhuara të këtij rajoni (2D) konfirmojnë se këta elementë janë në përputhje me përzierjet e borit, që zënë dy nëndegë të grafenit, siç tregojnë edhe strukturat e mbivendosura.
Mbulesa e CO e majës së mikroskopit mundësoi zbardhjen e strukturës geometrike të fletës së borofenës (2E), e cila do të ishte e pamundur nëse maja do të ishte standarde (metalike) pa mbulesë CO.
Imazhi Nr. 3
Formimi i hetero-interfese laterale midis borofenës dhe grafenit (3A) duhet të ndodhë kur borofena rritet afër domainëve të grafenit, në të cilin tashmë ka bor.
ShkencĂ«tarĂ«t kujtojnĂ« se heterointerfaces anĂ«sore tĂ« bazuara nĂ« grafen-hBN (grafen + nitrid bor) kanĂ« koherencĂ«n e rrjetĂ«s, ndĂ«rsa hetero kalimet tĂ« bazuara nĂ« dikhalkogenidat e metalit kalimtar kanĂ« koherencĂ«n e simetrive. NĂ« rastin e grafenit/borofenit, situata Ă«shtĂ« pak mĂ« ndryshe â ato kanĂ« ngjashmĂ«ri minimale strukturore nga kĂ«ndvĂ«shtrimi i vazhdimĂ«sisĂ« sĂ« rrjetĂ«s ose simetrisĂ« kristalore. MegjithatĂ«, pavarĂ«sisht kĂ«saj, heterointerface anĂ«sore grafen/borofen tregon njĂ« koherencĂ« atomike praktikaisht ideale, duke u bĂ«rĂ« tĂ« drejtat e rreshtit tĂ« borit (B-row) tĂ« pĂ«rputhen me drejtimet zigzag (ZZ) tĂ« grafenit.3ANĂ« 3V tregohet njĂ« imazh i zgjeruar i zonĂ«s ZZ tĂ« heterointerfaces (me vijat blu qĂ« tregojnĂ« elementet ndĂ«rfazorĂ«, tĂ« cilat pĂ«rputhen me lidhjet kovalente bor-karbon).
Për shkak se rritja e borofenit ndodh në temperatura më të ulëta krahasuar me grafenin, skajet e domenit të grafenit ka shumë të ngjarë të kenë mobilitet të ulët gjatë formimit të heterointerface me borofen. Prandaj, një heterointerface pothuajse atomikisht të saktë, ka të ngjarë të jetë rezultati i konfigurimeve dhe karakteristikave të ndryshme të lidhjeve të shumëqendrore të borit. Spektra e skanimit të tunelit (3C) dhe conducibiliteti diferencial i tunelit (3D) tregojnë se kalimi elektrik nga grafeni te borofeni ndodh në një distancë ~ 5 à pa shtete të dukshme të interface-it.
Në imazhin 3E tregon tre spektra të skanimit të tunelit, të marra përgjatë tri vijave të ndërprera në 3D, të cilat konfirmojnë se ky kalim i shkurtër elektrik është i papritur për strukturat lokale ndërfazore dhe është në përputhje me të njëjtin në kufijtë borofen-argjendi.
Imazhi â4
Grafeni interkalimi* më parë gjithashtu është shqyrtuar gjerësisht, megjithatë transformimi i interkalantëve në fletë të vërteta 2D është një fenomen relativisht i rrallë.
Interkalimi* â aktivizimi i molekulĂ«s ose grupit tĂ« molekulave ndĂ«rmjet molekulave tĂ« tjera ose grupeve tĂ« molekulave.
Rrethi i vogël atomik i borit dhe ndërveprimi i dobët ndërmjet grafenit dhe Ag (111) sugjerojnë mundësinë e ndërkalimit të grafenit me bor. Në imazhin 4A janë paraqitur prova jo vetëm për ndërkalimin e borit, por edhe për krijimin e heterostrukturave vertikale borofen-grafen, veçanërisht të domeneve trekëndore, të rrethuar me grafen. Rrjeti celular, i vërejtur në këtë domene trekëndore, konfirmon praninë e grafenit. Megjithatë, ky grafen tregon një densitet më të ulët lokal të shtetesh në -50 meV krahasuar me grafenin përreth (4B). Në krahasim me grafenin e drejtpërdrejtë mbi Ag (111), mungesa e shenjave të densitetit të lartë lokal të shtetesh në spektër dI/dV (4C, kurba blu), e cila korrespondon me gjendjen sipërfaqësore të Ag (111), është prova e parë e ndërkalimit të borit.
Po ashtu, siç pritej pĂ«r ndĂ«rkalimin e pjesshĂ«m, rrjeti i grafenit mbetet kontinues pĂ«r gjithĂ« ndĂ«rfaqen laterale midis grafenit dhe zonĂ«s trekĂ«ndĂ«she (4D â pĂ«rputhet me njĂ« zonĂ« tĂ« drejtkĂ«ndĂ«she nĂ« 4A, e cila Ă«shtĂ« e rrethuar me njĂ« vijĂ« pikĂ«liu tĂ« kuqe). NjĂ« imazh i bĂ«rĂ« me SO nĂ« gjilpĂ«rĂ«n e mikroskopit gjithashtu konfirmoi praninĂ« e pĂ«rzierjeve zĂ«vendĂ«suese tĂ« borit (4E â pĂ«rputhet me njĂ« zonĂ« tĂ« drejtkĂ«ndĂ«she nĂ« 4A, e cila Ă«shtĂ« e rrethuar me njĂ« vijĂ« pikĂ«liu tĂ« verdhĂ«).
GjatĂ« analizĂ«s janĂ« pĂ«rdorur gjithashtu gjilpĂ«ra mikroskopike pa asnjĂ« mbulim. NĂ« kĂ«tĂ« rast, nĂ« domenet grafenike tĂ« interkalatuara janĂ« identifikuar shenja tĂ« elementeve lineare njĂ«-dimensional me njĂ« periudhĂ« prej 5 Ă (4F dhe 4G). KĂ«to struktura njĂ«-dimensionale i ngjajnĂ« rreshtave tĂ« borit nĂ« modelin e borofenĂ«s. PĂ«rveç grupit tĂ« pikave qĂ« pĂ«rkojnĂ« me grafenĂ«n, transformimi Fourier i imazhit nĂ« 4G tregon njĂ« çift pikash orthogonale qĂ« pĂ«rkojnĂ« me njĂ« rrjetĂ« tĂ« drejtkĂ«ndĂ«she 3 Ă x 5 Ă (4Đ), e cila pĂ«rputhet pĂ«r mrekulli me modelin e borofenĂ«s. PĂ«r mĂ« tepĂ«r, orientimi i vĂ«zhguar i tri planeve tĂ« elementeve lineare (1E) Ă«shtĂ« nĂ« pĂ«rputhje tĂ« mirĂ« me tĂ« njĂ«jtin strukturĂ« mbizotĂ«ruese qĂ« Ă«shtĂ« vĂ«zhguar pĂ«r fletĂ«t e borofenĂ«s.
Të gjitha këto vëzhgime tregojnë bindshëm për ndërkyçjen e grafenit me borofen pranë skajeve të Ag, gjë që çon në formimin e heterostrukturave vertikale borofen-grafen, të cilat mund të realizohen kryesisht duke rritur mbulimin fillestar të grafenit.
4I është një paraqitje skematike e heterostrukturës vertikale në 4H, ku drejtimi i rreshtit të borës (shigjeta rozë) është afërsisht i rreshtuar me drejtimin zigzag të grafenit (shigjeta e zezë), duke formuar kështu një heterostrukturë vertikale rotacionale.
Për një njohje më të detajuar me nuancat e hulumtimit, rekomandoj të shikoni në dhe për të.
Epilogu
Kjo studim ka treguar se borofeni është në gjendje të formojë heterostruktura laterale dhe vertikale me grafenin. Sisteme të tilla mund të përdoren në zhvillimin e llojeve të reja të elementeve dy-dimensionale, të aplikuara në nanotecnologji, elektronikë fleksibël dhe të veshur, si dhe në lloje të reja të gjysmëpërçuesve.
Vetë hulumtuesit besojnë se zhvillimi i tyre mund të sjellë një impuls të fuqishëm 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 hulumtuar, kuptuar dhe shpikur, në mënyrë që ato ide shkencore-fantastike që mbushin mendjet e shkencëtarëve të bëhen realitet të plotë.
Faleminderit pĂ«r vĂ«mendjen, mbani kuriozitetin dhe ju uroj njĂ« javĂ« tĂ« mbarĂ« nĂ« punĂ«, shokĂ«. đ
Faleminderit që qëndroni me ne. Ju pëlqejnë artikujt tanë? Dëshironi të shihni më shumë materiale interesante? Na mbështetni duke bërë një porosi ose duke na rekomanduar njohurive tuaj, 30% zbritje për përdoruesit e Habra për një alternativë unike të serverëve entry-level, e cila është krijuar nga ne për ju: (disponohen variante me RAID1 dhe RAID10, deri në 24 bërthama dhe deri në 40GB DDR4).
Dell R730xd pĂ«r dy herĂ« mĂ« lirĂ«? VetĂ«m kĂ«tu nĂ« HolandĂ«! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â nga $99! Lexoni rreth
Burimi: habr.com
