„Мутација је кључ за откривање мистерије еволуције. Пут развоја од најједноставнијег организма до доминантне биолошке врсте траје хиљадама година. Али сваких сто хиљада година постоји оштар скок напред у еволуцији“ (Цхарлес Ксавиер, Кс-Мен, 2000). Ако одбацимо све научно-фантастичне елементе присутне у стриповима и филмовима, онда су речи професора Кс сасвим тачне. Развој нечега се углавном одвија равномерно, али понекад постоје скокови који имају огроман утицај на цео процес. Ово се не односи само на еволуцију врста, већ и на еволуцију технологије, чији су главни покретач људи, њихова истраживања и проналасци. Данас ћемо се упознати са студијом која је, према речима њених аутора, прави еволутивни скок у нанотехнологији. Како су научници са Универзитета Нортхвестерн (САД) успели да створе нову дводимензионалну хетероструктуру, зашто су за основу изабрани графен и борофен и која својства би такав систем могао да има? О томе ће нам рећи извештај истраживачке групе. Иди.
Основа истраживања
Много пута смо чули израз „графен“; то је дводимензионална модификација угљеника, која се састоји од слоја атома угљеника дебљине 1 атом. Али "борофен" је изузетно реткост. Овај термин се односи на дводимензионални кристал који се састоји искључиво од атома бора (Б). Могућност постојања борофена први пут је предвиђена још средином 90-их, али је у пракси било могуће добити ову структуру тек до 2015. године.
Атомска структура борофена састоји се од троугластих и хексагоналних елемената и последица је интеракције између двоцентричних и вишецентричних веза у равни, што је веома типично за елементе са недостатком електрона, у које спада бор.
*Под двоцентралним и мултицентричним везама подразумевамо хемијске везе – интеракције атома које карактеришу стабилност молекула или кристала као јединствене структуре. На пример, веза са два центра са два електрона настаје када 2 атома деле 2 електрона, а веза са два центра са три електрона се јавља када 2 атома и 3 електрона, итд.
Са физичке тачке гледишта, борофен може бити јачи и флексибилнији од графена. Такође се верује да структуре борафена могу бити ефикасан додатак за батерије јер борофен има висок специфични капацитет и јединствену електронску проводљивост и својства транспорта јона. Међутим, у овом тренутку ово је само теорија.
биће тровалентни елемент*, бор има најмање 10 алотропи*. У дводимензионалном облику, слично полиморфизам* такође се посматра.
Тровалентни елемент* способне да формирају три ковалентне везе, чија је валенција три.
алотропија* – када се један хемијски елемент може представити у облику две или више једноставних супстанци. Као пример, угљеник - дијамант, графен, графит, угљеничне наноцеви итд.
полиморфизам* — способност супстанце да постоји у различитим кристалним структурама (полиморфне модификације). У случају једноставних супстанци, овај термин је синоним за алотропију.
С обзиром на овај широки полиморфизам, сугерише се да би борофен могао бити одличан кандидат за стварање нових дводимензионалних хетероструктура, пошто различите конфигурације везе бора треба да олабаве захтеве за усклађивањем решетке. Нажалост, ово питање се раније проучавало искључиво на теоријском нивоу због потешкоћа у синтези.
За конвенционалне 2Д материјале добијене од масивних слојевитих кристала, вертикалне хетероструктуре се могу реализовати коришћењем механичког слагања. С друге стране, дводимензионалне латералне хетероструктуре су засноване на синтези одоздо према горе. Атомски прецизне латералне хетероструктуре имају велики потенцијал у решавању проблема функционалне контроле хетероспојника, међутим, због ковалентног везивања, несавршено подударање решетки обично резултира широким и неуређеним интерфејсима. Дакле, потенцијала има, али има и проблема у реализацији.
У овом раду истраживачи су успели да интегришу борофен и графен у једну дводимензионалну хетероструктуру. Упркос неусклађености и симетрији кристалографске решетке између борофена и графена, секвенцијално таложење угљеника и бора на Аг(111) супстрат под ултра-високим вакуумом (УХВ) резултира скоро атомски прецизним бочним хетероинтерфејсима са предвиђеним поравнањима решетке, као и вертикалним хетероинтерфејсима .
Припрема студија
Пре проучавања хетероструктуре, она је морала бити произведена. Раст графена и борофена је обављен у ултрависоком вакуумској комори са притиском од 1к10-10 милибара.
Монокристални Аг(111) супстрат је очишћен поновљеним циклусима распршивања Ар+ (1 к 10-5 милибара, 800 еВ, 30 минута) и термичког жарења (550 °Ц, 45 минута) да би се добио атомски чист и раван Аг( 111) површина.
Графен је узгајан испаравањем снопа електрона чистог (99,997%) графитног штапа пречника 2.0 мм на Аг (750) супстрату загрејаној на 111 °Ц при струји грејања од ~ 1.6 А и напону убрзања од ~ 2 кВ , што даје емисиону струју од ~ 70 мА и флукс угљеника ~40 нА. Притисак у комори је био 1 к 10-9 милибара.
Борофен је узгајан испаравањем снопа електрона чистог (99,9999%) боровог штапа на субмонослојном графену на Аг (400) загрејаном на 500-111 °Ц. Струја филамента је била ~1.5 А, а напон убрзања је био 1.75 кВ, што даје емисиону струју од ~34 мА и флукс бора од ~10 нА. Притисак у комори током раста борофена био је приближно 2 к 10-10 милибара.
Резултати истраживања
Слика #1
На слици КСНУМКСА показано СТМ* снимак израслог графена, где се домени графена најбоље визуелизују помоћу мапе dI/dV (КСНУМКСВ) где I и V су струја тунела и померање узорка, и d — густина.
СТМ* — скенирајући тунелски микроскоп.
dI/dV мапе узорка су нам омогућиле да видимо већу локалну густину стања графена у поређењу са Аг(111) супстратом. У складу са претходним студијама, површинско стање Аг (111) има степенасту карактеристику, померену ка позитивним енергијама за dI/dV спектар графена (КСНУМКСС), што објашњава већу локалну густину стања графена на КСНУМКСВ на 0.3 еВ.
На слици 1D можемо видети структуру једнослојног графена, где је саћаста решетка и моар надградња*.
Суперструктура* - особина структуре кристалног једињења која се понавља у одређеном интервалу и тако ствара нову структуру са другачијим периодом алтернације.
Моире* - суперпозиција два периодична шара мреже један на други.
На нижим температурама, раст доводи до формирања дендритских и дефектних домена графена. Због слабе интеракције између графена и подлоге, ротационо поравнање графена у односу на основни Аг(111) није јединствено.
Након таложења бора, скенирајућа тунелска микроскопија (1E) показало је присуство комбинације домена борофена и графена. На слици су такође видљиви региони унутар графена, који су касније идентификовани као графен интеркалирани са борофеном (означено на слици Гр/Б). У овој области су јасно видљиви и линеарни елементи оријентисани у три смера и раздвојени углом од 120° (жуте стрелице).
Слика #2
Пхото он КСНУМКСАас 1E, потврђују појаву локализованих тамних удубљења у графену након таложења бора.
Да би се ове формације боље испитале и сазнало њихово порекло, направљена је још једна фотографија истог подручја, али помоћу мапа |длнI/дз| (2Б), где I — тунелска струја, d је густина, и z — раздвајање сонде и узорка (размак између игле микроскопа и узорка). Употреба ове технике омогућава добијање слика високе просторне резолуције. За ово можете користити и ЦО или Х2 на игли микроскопа.
Изображение КСНУМКСС је слика добијена коришћењем СТМ-а чији је врх обложен ЦО. Поређење слика А, В и С показује да су сви атомски елементи дефинисани као три суседна светла шестоугла усмерена у два нееквивалентна правца (црвени и жути троуглови на фотографијама).
Увећане слике ове области (2D) потврђују да су ови елементи у сагласности са нечистоћама допанта бора, заузимајући две графенске подрешетке, као што показују суперпониране структуре.
ЦО премаз игле микроскопа омогућио је откривање геометријске структуре борофенског листа (2E), што би било немогуће да је игла стандардна (метална) без ЦО премаза.
Слика #3
Формирање бочних хетероинтерфејса између борофена и графена (КСНУМКСА) треба да се деси када борофен расте поред домена графена који већ садрже бор.
Научници подсећају да бочни хетероинтерфејси на бази графена-хБН (графен + бор нитрид) имају конзистенцију решетке, а хетероспојнице на бази дихалкогенида прелазних метала имају симетричну конзистенцију. У случају графена/борофена, ситуација је мало другачија – они имају минималну структурну сличност у смислу константи решетке или симетрије кристала. Међутим, упркос томе, бочни графен/борофен хетероинтерфејс показује скоро савршену атомску конзистенцију, са правцима реда бора (Б-ред) који су поравнати са цик-цак (ЗЗ) правцима графена (КСНУМКСА). на КСНУМКСВ приказана је увећана слика ЗЗ региона хетероинтерфејса (плаве линије означавају међуфазне елементе који одговарају ковалентним везама бор-угљеник).
Пошто борофен расте на нижој температури у поређењу са графеном, мало је вероватно да ће ивице домена графена имати велику покретљивост када формирају хетероинтерфејс са борофеном. Према томе, скоро атомски прецизан хетероинтерфејс је вероватно резултат различитих конфигурација и карактеристика вишеструких веза бора. Спектри скенирајуће тунелске спектроскопије (КСНУМКСС) и диференцијалну тунелску проводљивост (3D) показују да се електронски прелаз из графена у борофен дешава на удаљености од ~ 5 А без видљивих стања интерфејса.
На слици 3E Приказана су три спектра скенирајуће тунелске спектроскопије снимљена дуж три испрекидане линије у 3Д, који потврђују да је овај кратки електронски прелаз неосетљив на локалне структуре међуфаза и да је упоредив са оним на интерфејсима борофен-сребро.
Слика #4
Графен интеркалација* је такође раније широко проучаван, али је конверзија интеркаланата у праве 2Д плоче релативно ретка.
интеркалација* - реверзибилно укључивање молекула или групе молекула између других молекула или група молекула.
Мали атомски радијус бора и слаба интеракција између графена и Аг(111) указују на могућу интеркалацију графена са бором. На слици КСНУМКСА приказани су докази не само о интеркалацији бора, већ ио формирању вертикалних хетероструктура борофен-графена, посебно троугластих домена окружених графеном. Решетка саћа уочена на овом троугластом домену потврђује присуство графена. Међутим, овај графен показује нижу локалну густину стања на -50 меВ у поређењу са околним графеном (КСНУМКСВ). У поређењу са графеном директно на Аг(111), нема доказа о високој локалној густини стања у спектру dI/dV (4C, плава крива), која одговара површинском стању Аг(111), први је доказ интеркалације бора.
Такође, као што се и очекивало за делимичну интеркалацију, графенска решетка остаје континуирана кроз бочни интерфејс између графена и троугластог региона (4D - одговара правоугаоној површини на КСНУМКСА, заокружено црвеном тачкастом линијом). Слика помоћу ЦО на игли микроскопа такође је потврдила присуство нечистоћа замене бора (4E - одговара правоугаоној површини на КСНУМКСА, заокружен жутом тачкастом линијом).
Током анализе су коришћене и микроскопске игле без икаквог премаза. У овом случају, у интеркалираним доменима графена откривени су знаци једнодимензионалних линеарних елемената са периодичношћу од 5 А (4F и 4G). Ове једнодимензионалне структуре подсећају на редове бора у моделу борофена. Поред скупа тачака које одговарају графену, Фуријеова трансформација слике у 4G приказује пар ортогоналних тачака које одговарају правоугаоној решетки величине 3 А к 5 А (4Х), што се одлично слаже са борофенским моделом. Поред тога, уочена трострука оријентација низа линеарних елемената (1E) се добро слаже са истом доминантном структуром која је примећена за листове борофена.
Сва ова запажања снажно сугеришу интеркалацију графена борофеном у близини ивица Аг, што последично доводи до формирања вертикалних хетероструктура борофен-графена, што се може повољно реализовати повећањем почетне покривености графена.
4I је шематски приказ вертикалне хетероструктуре на 4H, где је правац реда бора (ружичаста стрелица) блиско усклађен са цик-цак смером графена (црна стрелица), формирајући тако ротационо пропорционалну вертикалну хетероструктуру.
За детаљније упознавање са нијансама студије, препоручујем да погледате и њему.
Епилог
Ова студија је показала да је борофен прилично способан да формира бочне и вертикалне хетероструктуре са графеном. Овакви системи се могу користити у развоју нових типова дводимензионалних елемената који се користе у нанотехнологији, флексибилној и носивој електроници, као и нових типова полупроводника.
Сами истраживачи верују да би њихов развој могао бити снажан подстицај за технологије везане за електронику. Ипак, и даље је тешко са сигурношћу рећи да ће њихове речи постати пророчке. У овом тренутку има још много тога да се истражи, разуме и измисли како би оне научнофантастичне идеје које испуњавају умове научника постале пуноправна стварност.
Хвала на читању, останите радознали и желим вам одличну недељу. 🙂
Хвала вам што сте остали са нама. Да ли вам се свиђају наши чланци? Желите да видите још занимљивијег садржаја? Подржите нас тако што ћете наручити или препоручити пријатељима, 30% попуста за кориснике Хабра на јединствени аналог сервера почетног нивоа, који смо ми измислили за вас: (доступно са РАИД1 и РАИД10, до 24 језгра и до 40 ГБ ДДР4).
Делл Р730кд 2 пута јефтинији? Само овде у Холандији! Делл Р420 - 2к Е5-2430 2.2Гхз 6Ц 128ГБ ДДР3 2к960ГБ ССД 1Гбпс 100ТБ - од 99 долара! Читали о
Извор: ввв.хабр.цом