“Mabadiliko ya chembe za urithi ndio ufunguo wa kufunua fumbo la mageuzi. Njia ya maendeleo kutoka kwa kiumbe rahisi hadi kwa spishi kubwa za kibaolojia hudumu maelfu ya miaka. Lakini kila baada ya miaka laki moja kuna kasi kubwa mbele katika mageuzi" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Ikiwa tutatupa vipengele vyote vya uwongo vya kisayansi vilivyopo kwenye katuni na filamu, basi maneno ya Profesa X ni ya kweli kabisa. Ukuaji wa kitu huendelea sawasawa mara nyingi, lakini wakati mwingine kuna kuruka ambayo ina athari kubwa kwenye mchakato mzima. Hii inatumika si tu kwa mageuzi ya aina, lakini pia kwa mageuzi ya teknolojia, dereva kuu ambayo ni watu, utafiti wao na uvumbuzi. Leo tutafahamiana na utafiti ambao, kulingana na waandishi wake, ni kiwango kikubwa cha mageuzi katika nanoteknolojia. Wanasayansi kutoka Chuo Kikuu cha Northwestern (USA) waliwezaje kuunda muundo mpya wa pande mbili, kwa nini graphene na borophene zilichaguliwa kama msingi, na mfumo kama huo unaweza kuwa na mali gani? Ripoti ya kikundi cha utafiti itatuambia kuhusu hili. Nenda.
Msingi wa utafiti
Tumesikia neno "graphene" mara nyingi; ni muundo wa kaboni wa pande mbili, unaojumuisha safu ya atomi za kaboni unene wa atomi 1. Lakini "borofen" ni nadra sana. Neno hili linarejelea kioo chenye pande mbili kinachojumuisha atomi za boroni (B) pekee. Uwezekano wa kuwepo kwa borophene ulitabiriwa kwanza nyuma katikati ya miaka ya 90, lakini kwa mazoezi iliwezekana kupata muundo huu tu mwaka wa 2015.
Muundo wa atomiki wa borofeni unajumuisha vipengele vya pembetatu na hexagonal na ni matokeo ya mwingiliano kati ya vifungo vya ndege vya katikati na vingi, ambayo ni ya kawaida sana kwa vipengele visivyo na elektroni, ambavyo ni pamoja na boroni.
*Kwa vifungo viwili vya katikati na vingi tunamaanisha vifungo vya kemikali - mwingiliano wa atomi unaoonyesha uthabiti wa molekuli au fuwele kama muundo mmoja. Kwa mfano, dhamana ya elektroni mbili ya katikati hutokea wakati atomi 2 zinashiriki elektroni 2, na dhamana ya elektroni tatu ya katikati hutokea wakati atomi 2 na elektroni 3, nk.
Kutoka kwa mtazamo wa kimwili, borophene inaweza kuwa na nguvu na rahisi zaidi kuliko graphene. Pia inaaminika kuwa miundo ya borophene inaweza kuwa saidia kwa ufanisi kwa betri, kwani borophene ina uwezo maalum wa juu na conductivity ya kipekee ya elektroniki na mali ya usafiri wa ioni. Walakini, kwa sasa hii ni nadharia tu.
Kuwa kipengele trivalent*, boroni ina angalau 10 alotrope*. Kwa fomu mbili-dimensional, sawa polymorphism* inazingatiwa pia.
Kipengele cha tatu* uwezo wa kutengeneza vifungo vitatu vya ushirika, valency ambayo ni tatu.
Alotropi* - wakati kipengele kimoja cha kemikali kinaweza kuwasilishwa kwa namna ya vitu viwili au zaidi rahisi. Kwa mfano, kaboni - almasi, graphene, grafiti, nanotubes kaboni, nk.
Polymorphism* - uwezo wa dutu kuwepo katika miundo tofauti ya kioo (marekebisho ya polymorphic). Katika kesi ya vitu rahisi, neno hili ni sawa na allotropy.
Kwa kuzingatia upolimishaji huu mpana, inapendekezwa kuwa borofeni inaweza kuwa mwaniaji bora wa kuunda miundo mipya ya pande mbili, kwa kuwa usanidi tofauti wa kuunganisha boroni unapaswa kulegeza mahitaji ya kulinganisha kimiani. Kwa bahati mbaya, suala hili lilisomwa hapo awali katika kiwango cha kinadharia kwa sababu ya ugumu wa usanisi.
Kwa nyenzo za kawaida za 2D zilizopatikana kutoka kwa fuwele zenye safu nyingi, miundo ya wima inaweza kupatikana kwa kutumia stacking ya mitambo. Kwa upande mwingine, heterostructures za upande wa pande mbili zinatokana na usanisi wa chini-juu. Miundo ya pembeni iliyo sahihi kiatomi ina uwezo mkubwa wa kusuluhisha matatizo ya udhibiti wa utendakazi wa miunganisho ya sehemu tofauti, hata hivyo, kutokana na upatanishi wa ushirikiano, ulinganishaji wa kimiani usio kamilifu kwa kawaida husababisha miingiliano mipana na isiyo na mpangilio. Kwa hiyo, kuna uwezo, lakini pia kuna matatizo katika kutambua.
Katika kazi hii, watafiti waliweza kujumuisha borophene na graphene katika muundo mmoja wa pande mbili. Licha ya kimiani ya fuwele kutolingana na ulinganifu kati ya borophene na graphene, uwekaji mfuatano wa kaboni na boroni kwenye sehemu ndogo ya Ag(111) chini ya utupu wa hali ya juu (UHV) husababisha takriban viunganishi sahihi vya atomi vilivyo na mipangilio ya kimiani iliyotabiriwa, na vile vile miingiliano ya kiwima. .
Maandalizi ya masomo
Kabla ya kusoma muundo wa hetero, ilibidi itengenezwe. Ukuaji wa graphene na borophene ulifanyika katika chumba cha utupu cha juu na shinikizo la millibars 1x10-10.
Sehemu ndogo ya crystal Ag(111) ilisafishwa kwa mizunguko inayorudiwa ya Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, dakika 30) na annealing ya mafuta (550 °C, dakika 45) ili kupata Ag safi ya atomiki na bapa. 111) uso.
Graphene ilikuzwa na uvukizi wa boriti ya elektroni ya fimbo safi ya grafiti (99,997%) yenye kipenyo cha mm 2.0 kwenye substrate ya Ag (750) iliyopashwa joto hadi 111 °C kwa joto la sasa la ~ 1.6 A na volteji inayoongeza kasi ya ~ 2 kV. , ambayo inatoa utoaji wa sasa wa ~ 70 mA na flux ya kaboni ~ 40 nA. Shinikizo katika chumba ilikuwa 1 x 10-9 millibars.
Borophene ilikuzwa kupitia uvukizi wa boriti ya elektroni ya fimbo safi ya boroni (99,9999%) kwenye grafiti ya submonolayer kwenye Ag (400) iliyopashwa joto hadi 500-111 °C. Filamenti ya sasa ilikuwa ~ 1.5 A na voltage ya kuongeza kasi ilikuwa 1.75 kV, ambayo inatoa sasa ya utoaji wa ~ 34 mA na flux ya boroni ya ~ 10 nA. Shinikizo katika chumba wakati wa ukuaji wa borophene ilikuwa takriban 2 x 10-10 millibars.
Matokeo ya utafiti
Picha #1
Kwenye picha 1A imeonyeshwa STM* picha ya graphene iliyokua, ambapo vikoa vya graphene vinaonyeshwa vyema kwa kutumia ramani dI/dV (1V), wapi I и V ni mkondo wa tunnel na uhamishaji wa sampuli, na d - msongamano.
STM* — inachanganua hadubini.
dI/dV ramani za sampuli zilituruhusu kuona msongamano wa juu zaidi wa majimbo ya graphene ikilinganishwa na substrate ya Ag(111). Kwa mujibu wa masomo ya awali, hali ya uso wa Ag (111) ina sifa ya hatua, iliyobadilishwa kuelekea nishati chanya na dI/dV wigo wa graphene (1C), ambayo inaelezea msongamano wa juu wa eneo la majimbo ya graphene kwenye 1V kwa 0.3 eV.
Kwenye picha 1D tunaweza kuona muundo wa graphene moja-safu, ambapo kimiani asali na muundo mkuu wa moiré*.
Muundo wa Juu* - kipengele cha muundo wa kiwanja cha fuwele ambacho hurudia kwa muda fulani na hivyo huunda muundo mpya na kipindi tofauti cha ubadilishaji.
Moire* - nafasi ya juu ya mifumo miwili ya matundu ya mara kwa mara juu ya kila mmoja.
Kwa joto la chini, ukuaji husababisha kuundwa kwa vikoa vya dendritic na kasoro vya graphene. Kwa sababu ya mwingiliano dhaifu kati ya graphene na substrate ya msingi, mpangilio wa mzunguko wa graphene kuhusiana na Ag(111) ya msingi si ya kipekee.
Baada ya utuaji wa boroni, skanning hadubini ya tunnel (1E) ilionyesha kuwepo kwa mchanganyiko wa vikoa vya borophene na graphene. Pia inayoonekana kwenye picha ni sehemu zilizo ndani ya graphene, ambazo baadaye zilitambuliwa kama graphene iliyounganishwa na borophene (iliyoonyeshwa kwenye picha. Gr/B) Vipengele vya mstari vinavyoelekezwa katika pande tatu na kutengwa kwa angle ya 120 ° pia vinaonekana wazi katika eneo hili (mishale ya njano).
Picha #2
Picha imewashwa 2Avile vile 1E, thibitisha kuonekana kwa midomo ya giza iliyojanibishwa katika graphene baada ya utuaji wa boroni.
Ili kuchunguza vyema miundo hii na kujua asili yao, picha nyingine ilipigwa ya eneo hilo hilo, lakini kwa kutumia ramani |dlnI/dz| (2B), wapi I - mkondo wa tunnel, d ni msongamano, na z - mgawanyo wa sampuli ya uchunguzi (pengo kati ya sindano ya hadubini na sampuli). Matumizi ya mbinu hii inafanya uwezekano wa kupata picha na azimio la juu la anga. Unaweza pia kutumia CO au H2 kwenye sindano ya darubini kwa hili.
Picha 2C ni picha iliyopatikana kwa kutumia STM ambayo ncha yake ilipakwa CO. Ulinganisho wa picha А, В и С inaonyesha kuwa elementi zote za atomiki zinafafanuliwa kuwa heksagoni tatu zenye kung'aa zilizo karibu zikielekezwa katika pande mbili zisizo sawa (pembetatu nyekundu na njano kwenye picha).
Picha zilizopanuliwa za eneo hili (2D) huthibitisha kuwa vipengele hivi vinakubaliana na uchafu wa dopant ya boroni, huchukua sehemu ndogo mbili za graphene, kama inavyoonyeshwa na miundo iliyowekwa juu zaidi.
Mipako ya CO ya sindano ya darubini ilifanya iwezekane kufichua muundo wa kijiometri wa karatasi ya borophene (2E), ambayo haitawezekana ikiwa sindano ilikuwa ya kawaida (chuma) bila mipako ya CO.
Picha #3
Uundaji wa miingiliano ya nyuma kati ya borophene na graphene (3A) inapaswa kutokea wakati borofeni inapokua karibu na vikoa vya graphene ambavyo tayari vina boroni.
Wanasayansi wanakumbusha kwamba viunganishi vya upande wa pili vinavyotegemea graphene-hBN (graphene + boroni nitridi) vina uthabiti wa kimiani, na miunganisho ya heterojunctions kulingana na dichalkogenidi ya mpito ya chuma ina uthabiti wa ulinganifu. Kwa upande wa graphene/borophene, hali ni tofauti kidogo - zina mfanano mdogo wa kimuundo kwa suala la viunga vya kimiani au ulinganifu wa fuwele. Hata hivyo, licha ya hayo, kiunganishi cha pembeni cha graphene/borophene kinaonyesha uthabiti karibu kabisa wa atomiki, na maelekezo ya safu mlalo ya boroni (Safu-B) yakiwa yameambatanishwa na maelekezo ya zigzag (ZZ) ya graphene (3A) Washa 3V picha iliyokuzwa ya eneo la ZZ la heterointerface inaonyeshwa (mistari ya bluu inaonyesha vipengele vya kuingiliana vinavyolingana na vifungo vya ushirikiano vya boroni-kaboni).
Kwa kuwa borofeni hukua kwa halijoto ya chini ikilinganishwa na graphene, kingo za kikoa cha graphene haziwezekani kuwa na uhamaji wa juu wakati wa kuunda kiolesura cha hetero na borofeni. Kwa hivyo, kiolesura sahihi cha atomi kinawezekana kuwa ni matokeo ya usanidi na sifa tofauti za bondi za boroni za tovuti nyingi. Inachanganua mwonekano wa spectroscopy (3C) na upitishaji tofauti wa handaki (3D) zinaonyesha kuwa mpito wa kielektroniki kutoka kwa graphene hadi borophene hutokea kwa umbali wa ~5 Å bila hali za kiolesura kinachoonekana.
Kwenye picha 3E Imeonyeshwa mionekano mitatu ya utambazaji wa vichuguu iliyochukuliwa kando ya mistari mitatu iliyokatika katika 3D, ambayo inathibitisha kuwa mpito huu mfupi wa kielektroniki haujali miundo ya ndani ya nyuso za ndani na inalinganishwa na ile ya kiolesura cha borophene-fedha.
Picha #4
Graphene mwingiliano* pia hapo awali imesomwa sana, lakini ubadilishaji wa viambatanisho kuwa laha za 2D halisi ni nadra sana.
Mwingiliano* - ujumuishaji unaoweza kubadilishwa wa molekuli au kikundi cha molekuli kati ya molekuli zingine au vikundi vya molekuli.
Radi ndogo ya atomiki ya boroni na mwingiliano hafifu kati ya graphene na Ag(111) unapendekeza uwezekano wa kuingiliana kwa graphene na boroni. Katika picha 4A ushahidi unawasilishwa sio tu wa mwingiliano wa boroni, lakini pia uundaji wa muundo wa wima wa borophene-graphene, haswa vikoa vya pembetatu vilivyozungukwa na graphene. Mwamba wa sega la asali unaozingatiwa kwenye kikoa hiki cha pembe tatu huthibitisha uwepo wa graphene. Walakini, graphene hii inaonyesha msongamano wa chini wa majimbo kwa -50 meV ikilinganishwa na graphene inayozunguka (4V) Ikilinganishwa na graphene moja kwa moja kwenye Ag(111), hakuna ushahidi wa msongamano mkubwa wa majimbo katika wigo. dI/dV (4C, curve ya buluu), inayolingana na hali ya uso ya Ag(111), ni ushahidi wa kwanza wa mwingiliano wa boroni.
Pia, kama inavyotarajiwa kwa mwingiliano wa sehemu, kimiani ya graphene inabaki kuwa endelevu katika kiolesura cha kando kati ya graphene na eneo la pembetatu (4D - inalingana na eneo la mstatili juu 4A, iliyozungushwa kwa mstari wa vitone nyekundu). Picha inayotumia CO kwenye sindano ya hadubini pia ilithibitisha uwepo wa uchafu wa badala ya boroni (4E - inalingana na eneo la mstatili juu 4A, iliyozungushiwa mstari wa vitone vya manjano).
Sindano za hadubini bila mipako yoyote pia zilitumiwa wakati wa uchambuzi. Katika kesi hii, ishara za vipengee vya mstari wa mwelekeo mmoja na upimaji wa 5 Å zilifunuliwa katika vikoa vilivyoingiliana vya graphene (4F и 4G) Miundo hii ya mwelekeo mmoja inafanana na safu za boroni katika mfano wa borophene. Mbali na seti ya pointi zinazolingana na graphene, mabadiliko ya Fourier ya picha kuwa 4G inaonyesha jozi ya alama za othogonal zinazolingana na kimiani ya mstatili 3 Å x 5 Å (4H), ambayo inakubaliana vyema na mfano wa borophene. Kwa kuongezea, mwelekeo wa mara tatu uliozingatiwa wa safu ya vitu vya mstari (1E) inakubaliana vyema na muundo sawa unaozingatiwa kwa karatasi za borophene.
Uchunguzi huu wote unapendekeza kwa nguvu mwingiliano wa graphene na borophene karibu na kingo za Ag, ambayo kwa hivyo husababisha uundaji wa miundo ya wima ya borophene–graphene, ambayo inaweza kupatikana kwa manufaa kwa kuongeza chanjo ya awali ya graphene.
4I ni uwakilishi wa kimpango wa muundo wa kihetero wima 4H, ambapo mwelekeo wa safu ya boroni (mshale wa pink) unalingana kwa karibu na mwelekeo wa zigzag wa graphene (mshale mweusi), hivyo kuunda heterostructure ya wima ya mzunguko.
Kwa ufahamu wa kina zaidi na nuances ya utafiti, napendekeza kutazama и kwake.
Epilogue
Utafiti huu ulionyesha kuwa borofeni ina uwezo kabisa wa kutengeneza miundo ya kihetero ya pembeni na wima kwa kutumia graphene. Mifumo hiyo inaweza kutumika katika maendeleo ya aina mpya za vipengele viwili-dimensional vinavyotumiwa katika nanoteknolojia, vifaa vya umeme vinavyoweza kubadilika na vinavyovaa, pamoja na aina mpya za semiconductors.
Watafiti wenyewe wanaamini kwamba maendeleo yao yanaweza kuwa msukumo mkubwa kwa teknolojia zinazohusiana na elektroniki. Hata hivyo, bado ni vigumu kusema kwa hakika kwamba maneno yao yatakuwa ya kinabii. Kwa sasa, bado kuna mengi ya kutafiti, kueleweka na kuvumbuliwa ili yale mawazo ya uongo ya kisayansi yanayojaza akili za wanasayansi yawe ukweli kamili.
Asante kwa kusoma, kuwa na hamu na kuwa na wiki njema guys. 🙂
Asante kwa kukaa nasi. Je, unapenda makala zetu? Je, ungependa kuona maudhui ya kuvutia zaidi? Tuunge mkono kwa kuweka agizo au kupendekeza kwa marafiki, Punguzo la 30% kwa watumiaji wa Habr kwenye analogi ya kipekee ya seva za kiwango cha kuingia, ambayo tulikutengenezea: (inapatikana kwa RAID1 na RAID10, hadi cores 24 na hadi 40GB DDR4).
Dell R730xd mara 2 nafuu? Hapa tu nchini Uholanzi! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - kutoka $99! Soma kuhusu
Chanzo: mapenzi.com