«Mutation Àr nyckeln till att förstÄ evolutionens mysterium. UtvecklingsvÀgen frÄn den enklaste organismen till den dominerande biologiska arten tar tusentals Är. Men var hundratusende Är sker det ett plötsligt hopp framÄt i evolutionen» (Charles Xavier, X-Men, 2000). Om vi bortser frÄn alla vetenskapligt fantastiska element som finns i serietidningar och filmer, Àr professor X:s ord ganska sanna. Utvecklingen av nÄgot sker jÀmnt under större delen av tiden, men ibland sker det hopp som har en enorm inverkan pÄ hela processen. Detta gÀller inte bara för arters evolution utan Àven för teknologiutveckling, som i stor utstrÀckning drivs av mÀnniskor, deras forskning och uppfinningar. Idag ska vi bekanta oss med en forskning som enligt sina författare utgör ett verkligt evolutionÀrt hopp inom nanoteknik. Hur lyckades forskarna vid Northwestern University (USA) skapa en ny tvÄdimensionell heterostruktur, varför valdes grafen och borofen som grund, och vilka egenskaper kan ett sÄdant system ha? Detta kommer att förklaras av rapporten frÄn forskargruppen. LÄt oss börja.
Forskningsgrund
Termen «grafen» har vi hört mĂ„nga gĂ„nger redan â det Ă€r en tvĂ„dimensionell modifikation av kol, bestĂ„ende av ett lager kolatomer som Ă€r 1 atom tjock. Men termen «borofen» hörs mycket sĂ€llan. Denna term betecknar en tvĂ„dimensionell kristall som enbart bestĂ„r av bor (B) atomer. Möjligheten för existensen av borofen förutsĂ„gs för första gĂ„ngen redan i mitten av 90-talet, men i praktiken lyckades man fĂ„ fram denna struktur först Ă„r 2015.
Den atomÀra strukturen av borofen bestÄr av triangulÀra och hexagonala element och Àr ett resultat av interaktionerna mellan tvÄcentra och mÄngacentra intra-plan-bindningar, vilket Àr typiskt för element med elektronbrist, sÄsom bor.
*Med tvĂ„centra och mĂ„ngacentra bindningar syftar man pĂ„ kemiska bindningar â interaktioner mellan atomer som karakteriserar stabiliteten i en molekyl eller kristall som en enhetlig struktur. Till exempel uppstĂ„r en tvĂ„centra tvĂ„elektronbindning nĂ€r 2 atomer delar 2 elektroner, och en tvĂ„centra treelektronbindning nĂ€r 2 atomer och 3 elektroner delas, osv.
Ur ett fysikaliskt perspektiv kan borofen vara mer hÄllbart och flexibelt jÀmfört med grafen. Det anses ocksÄ att borofenkonstruktioner kan vara ett effektivt komplement för batterier, eftersom borofen har hög specifik kapacitet och unika egenskaper för elektrisk ledningsförmÄga och jontransport. Dock Àr detta hittills bara en teori.
Som ett trevÀrdigt grundÀmne*, har bor minst 10 allotropa*. I tvÄdimensionell form observeras liknande polymorfi* ocksÄ.
Det trevÀrdiga grundÀmnet* kan bilda tre kovalenta bindningar, vars valens Àr tre.
Allotropi* Ă€r nĂ€r ett kemiskt grundĂ€mne kan representeras som tvĂ„ eller fler rena Ă€mnen. Som exempel, kol â diamant, grafen, grafit, kolnanorör, etc.
Polymorfi* Àr substansens förmÄga att existera i olika kristallina strukturer (polymorfa modifikationer). För rena Àmnen Àr denna term synonym med allotropi.
Med tanke pÄ sÄ bred polymorfi föreslÄs att borofen kan bli en utmÀrkt kandidat för att skapa nya tvÄdimensionella heterostrukturer, eftersom olika borbindningskonfigurationer bör minska kraven pÄ kristallgitteranpassning. TyvÀrr har denna frÄga tidigare endast studerats pÄ teoretisk nivÄ pÄ grund av svÄrigheter med syntes.
För vanliga 2D-material som erhÄllits frÄn volymetriska skiktade kristaller kan vertikala heterostrukturer realiseras genom mekanisk stapling. à andra sidan bygger tvÄdimensionella laterala heterostrukturer pÄ uppÄtsyntes. AtomÀrt exakta laterala heterostrukturer har stor potential för att lösa problem med kontroll av funktionaliteten hos heterövergÄngar, men pÄ grund av kovalenta bindningar leder ofta bristande gitteranpassning till breda och oordnade grÀnssnitt. DÀrför finns det potential, men det finns ocksÄ problem med att realisera den.
I detta arbete lyckades forskarna integrera borofen och grafen i en och samma tvÄdimensionella heterostruktur. Trots den kristallografiska gitter- och symmetriolikheten mellan borofen och grafen, leder det sekventiella avsÀttandet av kol och bor pÄ en Ag(111)-substrat i ultrahögt vacuum (UHV) till nÀstan atomÀrt exakta laterala heterointerfaces med förutsedda gitterjusteringar samt till vertikala heterointerfaces.
Förberedelse för studien
Innan heterostrukturen kunde undersökas behövde den tillverkas. TillvÀxten av grafen och borofen genomfördes i en ultrahög vakuumkammare med ett tryck pÄ 1x10-10 millibar.
Monokristallina substratet Ag(111) rengjordes genom upprepade cykler av Ar+-sputtering (1 x 10-5 millibar, energi 800 eV, 30 minuter) och termisk ÄterhÀmtning (550 °C, 45 minuter) tills en atomÀrt ren och platt yta av Ag(111) erhölls.
Grafen tillvuxes genom elektronstrÄleavdunstning av rent (99,997%) grafitstavar med en diameter pÄ 2,0 mm pÄ en uppvÀrmd Ag(111)-substrat vid 750 °C med en upphettningsström pÄ ~ 1,6 A och en accelererande spÀnning pÄ ~ 2 kV, vilket ger en emittersström pÄ ~ 70 mA och en kolflöde pÄ ~ 40 nA. Trycket i kammaren var 1 x 10-9 millibar.
Borofen tillvuxes genom elektronstrÄleavdunstning av rent (99,9999%) borstavar pÄ ett uppvÀrmt substrat av grafen vid 400-500 °C pÄ Ag(111). Upphettningsströmmen var ~ 1,5 A och den accelererande spÀnningen var 1,75 kV, vilket ger en emittersström pÄ ~ 34 mA och ett borflöde pÄ ~ 10 nA. Trycket i kammaren under tillvÀxten av borofen var cirka 2 x 10-10 millibar.
Forskningsresultat
Bild â1
PĂ„ bilden 1A visad STM* bild av den odlade grafen dĂ€r grafendomĂ€ner visualiseras bĂ€st med hjĂ€lp av kartan dI/dV (1B), dĂ€r I och V â tunnelström och provförskjutning, och d â densitet.
STM* â skannande tunnelmikroskop.
dI/dV Provkartorna visade en högre lokal densitet av tillstÄnd i grafen jÀmfört med Ag(111)-substratet. I enlighet med tidigare studier har det ytliga tillstÄndet för Ag(111) en trappstegskaraktÀr som förskjuts mot positiva energier pÄ dI/dV grafens spektrum (1C), vilket förklarar den högre lokala densiteten av tillstÄnd i grafen pÄ 1B vid 0,3 eV.
PÄ bilden 1D Vi kan se strukturen av monolager-grafen, dÀr den hexagonala gitterstrukturen och moiré-superstrukturen*.
Superstrukturen* â en sĂ€rskildhet hos strukturen av kristallina föreningar som upprepas med ett visst intervall och dĂ€rigenom skapar en ny struktur med en annan periodicitet.
Moar* â överlagring av tvĂ„ periodiska nĂ€tmönster ovanpĂ„ varandra.
Vid lÀgre temperaturer leder tillvÀxten till bildandet av dendritiska och defekta grafendomen. PÄ grund av svaga interaktioner mellan grafen och det underliggande substratet Àr grafens rotationsjustering i förhÄllande till det underliggande Ag (111) inte unik.
Efter deposition av bor visade scanning tunneling mikroskopi (1E) förekomsten av föreningen mellan borofen- och grafendomen. PÄ bilden syns ocksÄ omrÄden inom grafen som senare identifierades som interkalerad borofen-grafen (markerad pÄ bilden Gr/B). I detta omrÄde syns ocksÄ vÀl definierade linjÀra element som Àr orienterade i tre olika riktningar och separerade med en vinkel pÄ 120 ° (gula pilar).
Bild â2
Bilden pÄ 2A, precis som 1E, bekrÀftar nÀrvaron av lokaliserade mörka fördjupningar (depressioner) i grafen efter deposition av bor.
För att bĂ€ttre studera dessa formationer och faststĂ€lla deras ursprung fotograferades samma omrĂ„de igen, men med hjĂ€lp av kartor |dlnI/dz| (2Đ), гЎД I â tunnelström, d â densitet, och z â avstĂ„ndet mellan sonden och provet (gapet mellan mikroskopnĂ„len och provet). AnvĂ€ndning av denna metodik möjliggör bilder med högre rumslig upplösning. CO eller H2 kan ocksĂ„ anvĂ€ndas pĂ„ mikroskopnĂ„len för detta.
Bilden 2C Àr ett fotografi taget med hjÀlp av STM, vars nÄl var tÀckt med CO. JÀmförelse av bilderna A, I och Med visar att alla atomÀra element identifieras som tre intilliggande ljusa hexagoner, riktade i tvÄ icke ekvivalenta riktningar (de röda och gula trianglarna pÄ bilderna).
Förstoring av detta omrÄde (2D) bekrÀftar att dessa element stÀmmer överens med de dopande borföljiterna, som tar upp tvÄ undergaller i grafen, vilket ocksÄ visas av de överlagrade strukturerna.
CO-belÀggningen av mikroskopnÄlen gjorde det möjligt att avslöja den geometriska strukturen av borofenarket (2E), vilket skulle vara omöjligt om nÄlen varit standard (metallisk) utan CO-belÀggning.
Bild nr 3
Bildandet av laterala heterointerfaces mellan borofen och grafen (3A) bör ske nÀr borofen vÀxer vid grafendomÀner dÀr det redan finns bor.
Forskare pĂ„minner om att laterala hetero-grĂ€nssnitt baserade pĂ„ grafen-hBN (grafen + bor-nitrid) har gitterkoherens, medan heteroövergĂ„ngar baserade pĂ„ dicalcogenider av övergĂ„ngsmetaller har symmetri-koherens. I fallet med grafen/borofen Ă€r situationen nĂ„got annorlunda â de har minimal strukturell likhet nĂ€r det gĂ€ller gitterkonstanter eller kristallin symmetri. Men trots detta visar det laterala hetero-grĂ€nssnittet grafen/borofen praktiskt taget perfekt atomĂ€r koherens, dĂ€r bor-raderna (B-row) överensstĂ€mmer med zigzag (ZZ) riktningarna i grafen (3A). PĂ„ 3B visas en förstoring av ZZ-omrĂ„det i hetero-grĂ€nssnittet (blĂ„ linjer markerar grĂ€nselement som motsvarar bor-kol kovalenta bindningar).
Eftersom tillvÀxten av borofen sker vid lÀgre temperaturer jÀmfört med grafen, kommer kanterna pÄ grafendomÀnen sannolikt att ha lÄg rörlighet vid bildandet av hetero-grÀnssnittet med borofen. DÀrför Àr ett nÀstan atomÀrt exakt hetero-grÀnssnitt troligtvis resultatet av olika konfigurationer och karakteristika av flerpunkt-bindningar av bor. Spektra frÄn skanningstunnelmikroskopi (3C) och differential tunnelkonduktivitet (3D) visar att elektronövergÄngen frÄn grafen till borofen sker pÄ ett avstÄnd av ~ 5 à utan synliga grÀnstillstÄnd.
PÄ bilden 3E visar tre spektra frÄn skanningstunnelmikroskopi, tagna lÀngs de tre streckade linjerna pÄ 3D, som bekrÀftar att denna korta elektronövergÄng Àr okÀnslig för lokala grÀns-strukturer och jÀmförbar med den vid grÀnserna mellan borofen-silver.
Bild nr 4
Grafen interkalation* har ocksÄ tidigare studerats i stor utstrÀckning, men omvandlingen av interkalatorer till verkliga 2D-skikt Àr ett relativt sÀllsynt fenomen.
Interkalation* Àr den reversibla inneslutningen av en molekyl eller grupp av molekyler mellan andra molekyler eller grupper av molekyler.
Den lilla atomradien hos bor och den svaga interaktionen mellan grafen och Ag (111) antyder en möjlig interkalation av grafen med bor. PÄ bilden 4A bevisen visar inte bara interkalationen av bor, utan ocksÄ bildandet av vertikala borofen-grafenheterostrukturer, sÀrskilt triangulÀra domÀner omgivna av grafen. Den cellulÀra strukturen som observerats pÄ denna triangulÀra domÀn bekrÀftar nÀrvaron av grafen. Emellertid visar denna grafen en lÀgre lokal tÀthet av tillstÄnd vid -50 meV jÀmfört med den omgivande grafen (4B). JÀmfört med grafen direkt pÄ Ag (111) saknas tecken pÄ hög lokal tÀthet av tillstÄnd i spektret dI/dV (4C, den blÄ kurvan), motsvarande yttillstÄndet för Ag (111), Àr det första beviset pÄ interkalation av bor.
Som förvĂ€ntat för partiell interkalation förblir grafennetverket kontinuerligt över det laterala grĂ€nssnittet mellan grafen och det triangulĂ€ra omrĂ„det (4D â motsvarar det rektangulĂ€ra omrĂ„det pĂ„ 4A, omgiven av en röd prickad linje). En bild tagen med hjĂ€lp av en skanningsprobermicroskop bekrĂ€ftade ocksĂ„ nĂ€rvaron av substituerande borföroreningar (4E â motsvarar det rektangulĂ€ra omrĂ„det pĂ„ 4A, omgiven av en gul prickad linje).
Under analysen anvÀndes ocksÄ mikroskopnÄlar utan nÄgot belÀggning. I det fallet upptÀcktes tecken pÄ en-dimensionella linjÀra element med en periodicitet pÄ 5 à (4F och 4G). Dessa en-dimensionella strukturer pÄminner om rader av bor i borofen-modellen. Utöver uppsÀttningen punkter som motsvarar grafen, visar Fourier-transformen av bilden pÄ 4G ett par ortogonala punkter som motsvarar en rektangulÀr struktur pÄ 3 à x 5 à (4H), vilket överensstÀmmer perfekt med borofen-modellen. Dessutom stÀmmer den observerade tredubbla orienteringen av nÀtverket av linjÀra element (1E) vÀl överens med samma dominerande struktur som observerats för borofenblad.
Alla dessa observationer vittnar övertygande om interkalationen av grafen med borofen nÀra kanterna av Ag, vilket i sin tur leder till bildandet av vertikala heterostrukturer av borofen-grafen, som frÀmst kan realiseras genom att öka det ursprungliga grafenbelÀggningen.
4I Àr en schematisk representation av den vertikala heterostrukturen pÄ 4H, dÀr riktningen för borserien (rosa pil) Àr nÀra inriktad med den zigzagformade riktningen av grafen (svart pil), vilket skapar en rotationssymmetrisk vertikal heterostruktur.
För en mer detaljerad förstÄelse av forskningsdetaljerna rekommenderar jag att du tittar in i och till detta.
Epilog
Denna studie har visat att borofen helt kan bilda laterala och vertikala heterostrukturer med grafen. SÄdana system kan anvÀndas i utvecklingen av nya typer av tvÄdimensionella element som tillÀmpas inom nanoteknik, flexibel och bÀrbar elektronik, samt i nya typer av halvledare.
Forskarnas egen Äsikt Àr att deras utveckling kan ge en kraftfull drivkraft för teknologier relaterade till elektronik. Men det Àr svÄrt att sÀga med sÀkerhet om deras ord kommer att bli profetiska. Just nu finns det fortfarande mycket som behöver utforskas, förstÄs och uppfinnas för att de science fiction-idéer som upptar forskarnas sinnen ska bli en verklighet.
Tack för uppmĂ€rksamheten, förbli nyfikna och ha en bra arbetsvecka, allihopa. đ
Tack för att ni stannar kvar hos oss. Gillar ni vÄra artiklar? Vill ni se fler intressanta material? Stöd oss genom att göra en bestÀllning eller rekommendera oss till era vÀnner, 30% rabatt för Habr-anvÀndare pÄ vÄrt unika alternativ till entry-level servrar, som vi har designat för er: (alternativ med RAID1 och RAID10 finns tillgÀngliga, upp till 24 kÀrnor och upp till 40GB DDR4).
Dell R730xd till halva priset? Bara hos oss i NederlĂ€nderna! Dell R420 â 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB â frĂ„n $99! LĂ€s om
KĂ€lla: habr.com
