"Mutation är nyckeln till att reda ut evolutionens mysterium. Utvecklingsvägen från den enklaste organismen till den dominerande biologiska arten varar i tusentals år. Men vart hundra tusen år sker ett kraftigt steg framåt i evolutionen" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Om vi förkastar alla science fiction-element som finns i serier och filmer, då är professor Xs ord helt sanna. Utvecklingen av något går jämnt för det mesta, men ibland finns det hopp som har en enorm inverkan på hela processen. Detta gäller inte bara utvecklingen av arter, utan också utvecklingen av teknik, vars främsta drivkraft är människor, deras forskning och uppfinningar. Idag ska vi bekanta oss med en studie som, enligt dess författare, är ett riktigt evolutionärt språng inom nanoteknologin. Hur lyckades forskare från Northwestern University (USA) skapa en ny tvådimensionell heterostruktur, varför valdes grafen och borofen som bas och vilka egenskaper kan ett sådant system ha? Forskningsgruppens rapport kommer att berätta om detta. Gå.
Forskningsunderlag
Vi har hört termen "grafen" många gånger; det är en tvådimensionell modifiering av kol, bestående av ett lager av kolatomer 1 atom tjockt. Men "borofen" är extremt sällsynt. Denna term hänvisar till en tvådimensionell kristall som enbart består av bor(B)-atomer. Möjligheten av förekomsten av borofen förutspåddes först i mitten av 90-talet, men i praktiken erhölls denna struktur först 2015.
Atomstrukturen hos borofen består av triangulära och hexagonala element och är en följd av interaktionen mellan tvåcenter- och multicenterbindningar i planet, vilket är mycket typiskt för element med elektronbrist, som inkluderar bor.
*Med tvåcenter- och multicenterbindningar menar vi kemiska bindningar - interaktioner mellan atomer som kännetecknar stabiliteten hos en molekyl eller kristall som en enda struktur. Till exempel uppstår en två-center två-elektronbindning när 2 atomer delar 2 elektroner, och en två-center tre-elektronbindning uppstår när 2 atomer och 3 elektroner, etc.
Ur en fysisk synvinkel kan borofen vara starkare och mer flexibel än grafen. Man tror också att borofenstrukturer skulle kunna vara ett effektivt komplement till batterier, eftersom borofen har hög specifik kapacitet och unika elektroniska konduktivitets- och jontransportegenskaper. Men för närvarande är detta bara en teori.
vara trivalent element*, bor har minst 10 allotroper*. I tvådimensionell form, liknande polymorfism* observeras också.
Trivalent element* kan bilda tre kovalenta bindningar, vars valens är tre.
Allotropi* - när ett kemiskt element kan presenteras i form av två eller flera enkla ämnen. Som ett exempel, kol - diamant, grafen, grafit, kolnanorör, etc.
Polymorfism* - ett ämnes förmåga att existera i olika kristallstrukturer (polymorfa modifieringar). När det gäller enkla ämnen är denna term synonym med allotropi.
Med tanke på denna breda polymorfism, föreslås det att borofen kan vara en utmärkt kandidat för att skapa nya tvådimensionella heterostrukturer, eftersom olika borbindningskonfigurationer bör minska kraven på gittermatchning. Tyvärr studerades denna fråga tidigare uteslutande på teoretisk nivå på grund av svårigheter med syntes.
För konventionella 2D-material erhållna från bulkskiktade kristaller kan vertikala heterostrukturer realiseras med hjälp av mekanisk stapling. Å andra sidan är tvådimensionella laterala heterostrukturer baserade på bottom-up-syntes. Atomiskt exakta laterala heterostrukturer har stor potential för att lösa heterojunction funktionella kontrollproblem, men på grund av kovalent bindning resulterar ofullständig gittermatchning vanligtvis i breda och oordnade gränssnitt. Därför finns det potential, men det finns också problem med att förverkliga den.
I detta arbete lyckades forskarna integrera borofen och grafen i en tvådimensionell heterostruktur. Trots den kristallografiska gittermissanpassningen och symmetrin mellan borofen och grafen, resulterar sekventiell avsättning av kol och bor på ett Ag(111)-substrat under ultrahögt vakuum (UHV) i nästan atomärt exakta laterala heterogränssnitt med förutspådda gitteruppriktningar, såväl som vertikala heterogränssnitt. .
Förbereder för studien
Innan man studerade heterostrukturen måste den tillverkas. Tillväxten av grafen och borofen utfördes i en ultrahög vakuumkammare med ett tryck på 1x10-10 millibar.
Enkristall-Ag(111)-substratet rengjordes genom upprepade cykler av Ar+-förstoftning (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuter) och termisk glödgning (550 °C, 45 minuter) för att erhålla en atomär ren och platt Ag( 111) yta. .
Grafen odlades genom elektronstråleförångning av en ren (99,997 %) grafitstav med en diameter av 2.0 mm på ett Ag (750) substrat uppvärmt till 111 °C vid en värmeström på ~ 1.6 A och en accelerationsspänning på ~ 2 kV , vilket ger en emissionsström på ~70 mA och kolflöde ~40 nA. Trycket i kammaren var 1 x 10-9 millibar.
Borofen odlades genom elektronstråleindunstning av en ren (99,9999%) borstav på submonolagergrafen på Ag (400) uppvärmd till 500-111 °C. Filamentströmmen var ~1.5 A och accelerationsspänningen var 1.75 kV, vilket ger en emissionsström på ~34 mA och ett borflöde på ~10 nA. Trycket i kammaren under tillväxten av borofen var ungefär 2 x 10-10 millibar.
Forskningsresultat
Bild #1
På bilden 1А visad STM* en ögonblicksbild av odlad grafen, där grafendomänerna bäst visualiseras med hjälp av en karta dI/dV (1V) var I и V är tunnelströmmen och provförskjutningen, och d — täthet.
STM* — sveptunnelmikroskop.
dI/dV kartor av provet tillät oss att se en högre lokal täthet av tillstånd av grafen jämfört med Ag(111)-substratet. I enlighet med tidigare studier har yttillståndet hos Ag (111) en stegkarakteristik, förskjuten mot positiva energier genom dI/dV spektrum av grafen (1S), vilket förklarar den högre lokala tätheten av tillstånd av grafen på 1V vid 0.3 eV.
På bilden 1D vi kan se strukturen hos enskiktsgrafen, där bikakegaller och moiré överbyggnad*.
Överbyggnad* - en egenskap hos strukturen hos en kristallin förening som upprepas med ett visst intervall och därmed skapar en ny struktur med en annan alterneringsperiod.
Moire* - överlagring av två periodiska nätmönster ovanpå varandra.
Vid lägre temperaturer leder tillväxten till bildandet av dendritiska och defekta grafendomäner. På grund av svag växelverkan mellan grafen och det underliggande substratet är rotationsinriktningen av grafen med avseende på den underliggande Ag(111) inte unik.
Efter boravsättning, scanning tunnelmikroskopi (1Е) visade närvaron av en kombination av borofen- och grafendomäner. Även synliga i bilden är områden inuti grafenen, som senare identifierades som grafen interkalerad med borofen (anges i bilden Gr/B). Linjära element orienterade i tre riktningar och åtskilda av en vinkel på 120° är också tydligt synliga i detta område (gula pilar).
Bild #2
Foto på 2Аsom 1Е, bekräftar uppkomsten av lokala mörka fördjupningar i grafen efter boravsättning.
För att bättre undersöka dessa formationer och ta reda på deras ursprung togs ytterligare ett fotografi av samma område, men med hjälp av kartor |dlnI/dz| (2B), var I — tunnelström, d är densiteten, och z — Sond-provseparation (gapet mellan mikroskopnålen och provet). Användningen av denna teknik gör det möjligt att få bilder med hög rumslig upplösning. Du kan också använda CO eller H2 på mikroskopnålen för detta.
bild 2S är en bild som erhållits med en STM vars spets var belagd med CO. Jämförelse av bilder А, В и С visar att alla atomära element definieras som tre intilliggande ljusa hexagoner riktade i två icke-likvärdiga riktningar (röda och gula trianglar på fotografierna).
Förstorade bilder av detta område (2D) bekräftar att dessa element är i överensstämmelse med boordopande föroreningar, som upptar två grafenundergitter, vilket indikeras av de överlagrade strukturerna.
CO-beläggning av mikroskopnålen gjorde det möjligt att avslöja den geometriska strukturen hos borofenarket (2Е), vilket skulle vara omöjligt om nålen var standard (metall) utan CO-beläggning.
Bild #3
Bildning av laterala heterogränssnitt mellan borofen och grafen (3А) bör inträffa när borofen växer bredvid grafendomäner som redan innehåller bor.
Forskare påminner om att laterala heterogränssnitt baserade på grafen-hBN (grafen + bornitrid) har gitterkonsistens, och heteroövergångar baserade på övergångsmetalldikalkogenider har symmetrikonsistens. När det gäller grafen/borofen är situationen något annorlunda - de har minimal strukturell likhet när det gäller gitterkonstanter eller kristallsymmetri. Trots detta uppvisar det laterala grafen/borofen-heterogränssnittet nästan perfekt atomär konsistens, med borradernas (B-rads) riktningar i linje med sicksackriktningarna (ZZ) för grafen (3А). På 3V en förstorad bild av ZZ-regionen av heterogränssnittet visas (blå linjer indikerar gränsyteelement motsvarande bor-kol kovalenta bindningar).
Eftersom borofen växer vid en lägre temperatur jämfört med grafen, är det osannolikt att kanterna på grafendomänen har hög rörlighet när de bildar ett heterogränssnitt med borofen. Därför är det nästan atomiskt exakta heterogränssnittet troligen ett resultat av olika konfigurationer och egenskaper hos flerställena borbindningar. Skannande tunnelspektroskopispektra (3S) och differentiell tunnelledningsförmåga (3D) visar att den elektroniska övergången från grafen till borofen sker över ett avstånd av ~5 Å utan synliga gränssnittstillstånd.
På bilden 3Е Tre avsökningstunnelspektroskopiska spektra visas längs de tre streckade linjerna i 3D, som bekräftar att denna korta elektroniska övergång är okänslig för lokala gränssnittsstrukturer och är jämförbar med den vid borofen-silver-gränssnitt.
Bild #4
Grafen interkalation* har också tidigare studerats mycket, men omvandlingen av interkalanter till äkta 2D-ark är relativt sällsynt.
Interkalering* - reversibel inkludering av en molekyl eller grupp av molekyler mellan andra molekyler eller grupper av molekyler.
Den lilla atomradien för bor och den svaga interaktionen mellan grafen och Ag(111) antyder möjlig interkalering av grafen med bor. På bilden 4А bevis presenteras inte bara för borinterkalation, utan också för bildandet av vertikala borofen-grafen-heterostrukturer, särskilt triangulära domäner omgivna av grafen. Bikakegittret som observerats på denna triangulära domän bekräftar förekomsten av grafen. Emellertid uppvisar denna grafen en lägre lokal densitet av tillstånd vid -50 meV jämfört med omgivande grafen (4V). Jämfört med grafen direkt på Ag(111) finns det inga bevis för en hög lokal täthet av tillstånd i spektrumet dI/dV (4C, blå kurva), motsvarande Ag(111)-yttillståndet, är det första beviset på borinterkalation.
Som förväntat för partiell interkalering förblir grafengittret kontinuerligt genom hela det laterala gränssnittet mellan grafenet och det triangulära området (4D - motsvarar ett rektangulärt område på 4А, inringad med röd streckad linje). En bild med CO på en mikroskopnål bekräftade också närvaron av borsubstitutionsföroreningar (4E - motsvarar ett rektangulärt område på 4А, inringad med gul prickad linje).
Mikroskopnålar utan beläggning användes också under analysen. I detta fall avslöjades tecken på endimensionella linjära element med en periodicitet på 5 Å i de interkalerade grafendomänerna (4F и 4G). Dessa endimensionella strukturer liknar borraderna i borofenmodellen. Förutom den uppsättning punkter som motsvarar grafen, transformerar Fourier av bilden till 4G visar ett par ortogonala punkter som motsvarar ett 3 Å x 5 Å rektangulärt gitter (4H), vilket stämmer utmärkt överens med borofenmodellen. Dessutom, den observerade trippelorienteringen av arrayen av linjära element (1Е) överensstämmer väl med samma övervägande struktur som observerats för borofenark.
Alla dessa observationer tyder starkt på interkalering av grafen med borofen nära kanterna av Ag, vilket följaktligen leder till bildandet av vertikala borofen-grafen-heterostrukturer, vilket med fördel kan realiseras genom att öka den initiala täckningen av grafen.
4I är en schematisk representation av en vertikal heterostruktur på 4H, där riktningen för borraden (rosa pilen) är nära inriktad med sicksackriktningen för grafen (svart pil), vilket bildar en rotationsproportionell vertikal heterostruktur.
För en mer detaljerad bekantskap med studiens nyanser rekommenderar jag att titta på и till honom.
Epilog
Denna studie visade att borofen är ganska kapabel att bilda laterala och vertikala heterostrukturer med grafen. Sådana system kan användas i utvecklingen av nya typer av tvådimensionella element som används inom nanoteknik, flexibel och bärbar elektronik, såväl som nya typer av halvledare.
Forskarna själva tror att deras utveckling kan vara en kraftfull push framåt för elektronikrelaterade teknologier. Det är dock fortfarande svårt att säga säkert att deras ord kommer att bli profetiska. För tillfället finns det fortfarande mycket att undersöka, förstå och uppfinna så att de där science fiction-idéerna som fyller forskarnas sinnen blir en fullfjädrad verklighet.
Tack för att du läser, håll dig nyfiken och ha en bra vecka grabbar. 🙂
Tack för att du stannar hos oss. Gillar du våra artiklar? Vill du se mer intressant innehåll? Stöd oss genom att lägga en beställning eller rekommendera till vänner, 30 % rabatt för Habr-användare på en unik analog av nybörjarservrar, som uppfanns av oss för dig: (tillgänglig med RAID1 och RAID10, upp till 24 kärnor och upp till 40 GB DDR4).
Dell R730xd 2 gånger billigare? Bara här i Nederländerna! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - från $99! Läs om
Källa: will.com