"Ang mutation ay ang susi sa paglutas ng misteryo ng ebolusyon. Ang landas ng pag-unlad mula sa pinakasimpleng organismo hanggang sa nangingibabaw na biological species ay tumatagal ng libu-libong taon. Ngunit bawat daang libong taon ay may matalim na paglukso pasulong sa ebolusyon" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Kung itatapon natin ang lahat ng elemento ng science-fiction na nasa komiks at pelikula, kung gayon ang mga salita ni Propesor X ay lubos na totoo. Ang pagbuo ng isang bagay ay nagpapatuloy nang pantay-pantay sa halos lahat ng oras, ngunit kung minsan ay may mga pagtalon na may malaking epekto sa buong proseso. Nalalapat ito hindi lamang sa ebolusyon ng mga species, kundi pati na rin sa ebolusyon ng teknolohiya, ang pangunahing driver nito ay ang mga tao, ang kanilang pananaliksik at mga imbensyon. Ngayon ay makikilala natin ang isang pag-aaral na, ayon sa mga may-akda nito, ay isang tunay na evolutionary leap sa nanotechnology. Paano nagawa ng mga siyentipiko mula sa Northwestern University (USA) na lumikha ng isang bagong two-dimensional na heterostructure, bakit napili ang graphene at borophene bilang batayan, at anong mga katangian ang maaaring magkaroon ng ganoong sistema? Ang ulat ng pangkat ng pananaliksik ay magsasabi sa atin tungkol dito. Pumunta ka.
Batayan sa pananaliksik
Maraming beses na nating narinig ang terminong "graphene"; ito ay isang two-dimensional na pagbabago ng carbon, na binubuo ng isang layer ng carbon atoms na 1 atom ang kapal. Ngunit ang "borofen" ay napakabihirang. Ang terminong ito ay tumutukoy sa isang dalawang-dimensional na kristal na binubuo lamang ng mga atomo ng boron (B). Ang posibilidad ng pagkakaroon ng borophene ay unang hinulaang pabalik noong kalagitnaan ng 90s, ngunit sa pagsasagawa posible na makuha ang istrakturang ito lamang sa pamamagitan ng 2015.
Ang atomic na istraktura ng borophene ay binubuo ng mga triangular at hexagonal na elemento at ito ay bunga ng interaksyon sa pagitan ng dalawang-center at multi-center na in-plane bond, na napaka-typical para sa electron-deficient na mga elemento, na kinabibilangan ng boron.
*Ang ibig sabihin ng dalawang-sentro at multicenter na mga bono ay mga kemikal na bono - mga pakikipag-ugnayan ng mga atomo na nagpapakilala sa katatagan ng isang molekula o kristal bilang isang solong istraktura. Halimbawa, ang two-center two-electron bond ay nangyayari kapag ang 2 atoms ay nagbabahagi ng 2 electron, at ang two-center three-electron bond ay nangyayari kapag 2 atoms at 3 electron, atbp.
Mula sa pisikal na pananaw, ang borophene ay maaaring mas malakas at mas nababaluktot kaysa sa graphene. Pinaniniwalaan din na ang mga istruktura ng borophene ay maaaring maging isang epektibong pandagdag para sa mga baterya, dahil ang borophene ay may mataas na tiyak na kapasidad at natatanging electronic conductivity at ion transport properties. Gayunpaman, sa ngayon ito ay isang teorya lamang.
pagkatao trivalent element*, ang boron ay may hindi bababa sa 10 allotropes*. Sa dalawang-dimensional na anyo, katulad polymorphism* ay sinusunod din.
Trivalent element* may kakayahang bumuo ng tatlong covalent bond, ang valency nito ay tatlo.
Allotropy* - kapag ang isang elemento ng kemikal ay maaaring ipakita sa anyo ng dalawa o higit pang mga simpleng sangkap. Bilang halimbawa, carbon - brilyante, graphene, graphite, carbon nanotubes, atbp.
Polymorphism* - ang kakayahan ng isang sangkap na umiral sa iba't ibang istrukturang kristal (mga polymorphic na pagbabago). Sa kaso ng mga simpleng sangkap, ang terminong ito ay kasingkahulugan ng allotropy.
Dahil sa malawak na polymorphism na ito, iminumungkahi na ang borophene ay maaaring maging isang mahusay na kandidato para sa paglikha ng bagong dalawang-dimensional na heterostructure, dahil ang iba't ibang mga pagsasaayos ng pagbubuklod ng boron ay dapat magrelaks sa mga kinakailangan sa pagtutugma ng sala-sala. Sa kasamaang palad, ang isyung ito ay dati nang pinag-aralan ng eksklusibo sa antas ng teoretikal dahil sa mga kahirapan sa synthesis.
Para sa maginoo na 2D na materyales na nakuha mula sa bulk layered crystals, ang mga vertical heterostructure ay maaaring maisakatuparan gamit ang mechanical stacking. Sa kabilang banda, ang dalawang-dimensional na lateral heterostructure ay batay sa bottom-up synthesis. Ang mga atomically precise na lateral heterostructure ay may malaking potensyal sa paglutas ng mga problema sa heterojunction functional control, gayunpaman, dahil sa covalent bonding, ang hindi perpektong pagtutugma ng lattice ay karaniwang nagreresulta sa malawak at hindi maayos na mga interface. Samakatuwid, may potensyal, ngunit mayroon ding mga problema sa pagsasakatuparan nito.
Sa gawaing ito, nagawa ng mga mananaliksik na isama ang borophene at graphene sa isang dalawang-dimensional na heterostructure. Sa kabila ng crystallographic lattice mismatch at symmetry sa pagitan ng borophene at graphene, ang sequential deposition ng carbon at boron sa isang Ag(111) substrate sa ilalim ng ultra-high vacuum (UHV) ay nagreresulta sa halos atomically precise na lateral heterointerface na may hinulaang lattice alignment, pati na rin ang vertical heterointerfaces .
Paghahanda para sa pag-aaral
Bago pag-aralan ang heterostructure, kailangan itong gawa-gawa. Ang paglaki ng graphene at borophene ay isinagawa sa isang ultra-high vacuum chamber na may presyon na 1x10-10 millibars.
Ang nag-iisang kristal na Ag(111) substrate ay nilinis sa pamamagitan ng paulit-ulit na pag-ikot ng Ar+ sputtering (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 minuto) at thermal annealing (550 °C, 45 minuto) upang makakuha ng atomically clean at flat Ag( 111) ibabaw. .
Ang graphene ay lumaki sa pamamagitan ng electron beam evaporation ng isang purong (99,997%) graphite rod na may diameter na 2.0 mm papunta sa isang Ag (750) substrate na pinainit hanggang 111 °C sa isang heating current na ~ 1.6 A at isang accelerating na boltahe ng ~ 2 kV , na nagbibigay ng kasalukuyang paglabas ng ~ 70 mA at carbon flux ~40 nA. Ang presyon sa silid ay 1 x 10-9 millibars.
Ang Borophene ay lumago sa pamamagitan ng electron beam evaporation ng isang purong (99,9999%) boron rod papunta sa submonolayer graphene sa Ag (400) na pinainit hanggang 500-111 °C. Ang kasalukuyang filament ay ~ 1.5 A at ang accelerating na boltahe ay 1.75 kV, na nagbibigay ng kasalukuyang paglabas ng ~ 34 mA at isang boron flux ng ~ 10 nA. Ang presyon sa silid sa panahon ng paglaki ng borophene ay humigit-kumulang 2 x 10-10 millibars.
Mga resulta ng pananaliksik
Larawan #1
Sa larawan 1A ipinakita STM* isang snapshot ng nasa hustong gulang na graphene, kung saan ang mga graphene domain ay pinakamahusay na nakikita gamit ang isang mapa dI/dV (1V), Saan I и V ay ang tunneling current at sample displacement, at d — density.
STM* — pag-scan ng tunneling microscope.
dI/dV Ang mga mapa ng sample ay nagpapahintulot sa amin na makakita ng isang mas mataas na lokal na density ng mga estado ng graphene kumpara sa Ag (111) na substrate. Alinsunod sa mga nakaraang pag-aaral, ang pang-ibabaw na estado ng Ag (111) ay may isang hakbang na katangian, na inilipat patungo sa positibong enerhiya sa pamamagitan ng dI/dV spectrum ng graphene (1S), na nagpapaliwanag ng mas mataas na lokal na density ng mga estado ng graphene sa 1V sa 0.3 eV.
Sa larawan 1D makikita natin ang istruktura ng single-layer graphene, kung saan ang honeycomb lattice at moiré superstructure*.
Superstructure* - isang tampok ng istraktura ng isang mala-kristal na tambalan na umuulit sa isang tiyak na pagitan at sa gayon ay lumilikha ng isang bagong istraktura na may ibang panahon ng paghahalili.
Moire* - superposisyon ng dalawang periodic mesh pattern sa ibabaw ng bawat isa.
Sa mas mababang temperatura, ang paglago ay humahantong sa pagbuo ng dendritic at may sira na mga domain ng graphene. Dahil sa mahinang pakikipag-ugnayan sa pagitan ng graphene at ng pinagbabatayan na substrate, ang rotational alignment ng graphene na may paggalang sa pinagbabatayan na Ag(111) ay hindi natatangi.
Pagkatapos ng boron deposition, pag-scan ng tunneling microscopy (1E) ay nagpakita ng pagkakaroon ng kumbinasyon ng borophene at graphene na mga domain. Makikita rin sa larawan ang mga rehiyon sa loob ng graphene, na kalaunan ay nakilala bilang graphene na intercalated sa borophene (ipinahiwatig sa larawan Gr/B). Ang mga linear na elemento na nakatuon sa tatlong direksyon at pinaghihiwalay ng isang anggulo na 120° ay malinaw ding nakikita sa lugar na ito (mga dilaw na arrow).
Larawan #2
Larawan sa 2ABilang 1E, kumpirmahin ang paglitaw ng mga naisalokal na dark depression sa graphene pagkatapos ng boron deposition.
Upang mas mahusay na masuri ang mga pormasyon na ito at malaman ang kanilang pinagmulan, isa pang larawan ang kinuha sa parehong lugar, ngunit gamit ang mga mapa |dlnI/dz| (2B), kung saan I - kasalukuyang tunel, d ay ang density, at z — probe-sample separation (ang agwat sa pagitan ng microscope needle at sample). Ang paggamit ng diskarteng ito ay ginagawang posible upang makakuha ng mga larawang may mataas na spatial na resolusyon. Maaari mo ring gamitin ang CO o H2 sa microscope needle para dito.
Изображение 2S ay isang imahe na nakuha gamit ang isang STM na ang dulo ay pinahiran ng CO. Paghahambing ng mga larawan А, В и С ay nagpapakita na ang lahat ng mga elemento ng atom ay tinukoy bilang tatlong magkatabing maliwanag na heksagono na nakadirekta sa dalawang walang katumbas na direksyon (pula at dilaw na tatsulok sa mga litrato).
Pinalaki ang mga larawan ng lugar na ito (2D) kumpirmahin na ang mga elementong ito ay sumasang-ayon sa boron dopant impurities, na sumasakop sa dalawang graphene sublattice, gaya ng ipinahiwatig ng mga superimposed na istruktura.
Ang CO coating ng microscope needle ay naging posible upang ipakita ang geometric na istraktura ng borophene sheet (2E), na magiging imposible kung ang karayom ay karaniwang (metal) na walang CO coating.
Larawan #3
Pagbubuo ng lateral heterointerfaces sa pagitan ng borophene at graphene (3A) ay dapat mangyari kapag tumubo ang borophene sa tabi ng mga domain ng graphene na naglalaman na ng boron.
Ipinapaalala ng mga siyentipiko na ang mga lateral heterointerface na batay sa graphene-hBN (graphene + boron nitride) ay may pagkakapare-pareho ng lattice, at ang mga heterojunction na batay sa transition metal dichalcogenides ay may simetriya na pagkakapare-pareho. Sa kaso ng graphene/borophene, bahagyang naiiba ang sitwasyon - mayroon silang kaunting pagkakatulad sa istruktura sa mga tuntunin ng mga lattice constants o crystal symmetry. Gayunpaman, sa kabila nito, ang lateral graphene/borophene heterointerface ay nagpapakita ng halos perpektong atomic consistency, kasama ang boron row (B-row) na direksyon na nakahanay sa zigzag (ZZ) na direksyon ng graphene (3A). Naka-on 3V ang isang pinalaki na imahe ng rehiyon ng ZZ ng heterointerface ay ipinapakita (ang mga asul na linya ay nagpapahiwatig ng mga elemento ng interfacial na naaayon sa mga boron-carbon covalent bond).
Dahil ang borophene ay lumalaki sa isang mas mababang temperatura kumpara sa graphene, ang mga gilid ng graphene domain ay malamang na hindi magkaroon ng mataas na kadaliang kumilos kapag bumubuo ng isang heterointerface na may borophene. Samakatuwid, ang halos atomically precise na heterointerface ay malamang na resulta ng iba't ibang mga pagsasaayos at katangian ng multisite boron bond. Pag-scan ng tunneling spectroscopy spectra (3S) at differential tunnel conductivity (3D) ay nagpapakita na ang elektronikong paglipat mula sa graphene hanggang borophene ay nangyayari sa layo na ~5 Å na walang nakikitang mga estado ng interface.
Sa larawan 3E Ipinapakita ang tatlong pag-scan ng tunneling spectroscopy spectra na kinunan kasama ang tatlong putol-putol na linya sa 3D, na nagpapatunay na ang maikling electronic transition na ito ay hindi sensitibo sa mga lokal na istruktura ng interface at maihahambing doon sa mga borophene-silver na interface.
Larawan #4
Graphene intercalation* ay dati ring malawak na pinag-aralan, ngunit ang conversion ng mga intercalant sa totoong 2D sheet ay medyo bihira.
Intercalation* - nababaligtad na pagsasama ng isang molekula o grupo ng mga molekula sa pagitan ng iba pang mga molekula o grupo ng mga molekula.
Ang maliit na atomic radius ng boron at ang mahinang interaksyon sa pagitan ng graphene at Ag(111) ay nagmumungkahi ng posibleng intercalation ng graphene sa boron. Sa larawan 4A Ang ebidensya ay ipinakita hindi lamang ng boron intercalation, kundi pati na rin ng pagbuo ng vertical borophene-graphene heterostructure, lalo na ang mga triangular na domain na napapalibutan ng graphene. Ang honeycomb lattice na naobserbahan sa triangular na domain na ito ay nagpapatunay sa pagkakaroon ng graphene. Gayunpaman, ang graphene na ito ay nagpapakita ng mas mababang lokal na density ng mga estado sa -50 meV kumpara sa nakapalibot na graphene (4V). Kung ikukumpara sa graphene nang direkta sa Ag(111), walang katibayan ng mataas na lokal na density ng mga estado sa spectrum dI/dV (4C, asul na kurba), na tumutugma sa Ag(111) na estado sa ibabaw, ay ang unang katibayan ng intercalation ng boron.
Gayundin, tulad ng inaasahan para sa bahagyang intercalation, ang graphene lattice ay nananatiling tuluy-tuloy sa buong lateral interface sa pagitan ng graphene at ng triangular na rehiyon (4D - tumutugma sa isang hugis-parihaba na lugar sa 4A, bilugan sa pulang tuldok na linya). Ang isang imahe na gumagamit ng CO sa isang mikroskopyo na karayom ay nakumpirma rin ang pagkakaroon ng mga impurities ng pagpapalit ng boron (4E - tumutugma sa isang hugis-parihaba na lugar sa 4A, bilugan sa dilaw na tuldok na linya).
Ang mga karayom sa mikroskopyo na walang anumang patong ay ginamit din sa pagsusuri. Sa kasong ito, ang mga palatandaan ng isang-dimensional na linear na elemento na may periodicity na 5 Å ay ipinahayag sa intercalated graphene domains (4F и 4G). Ang mga one-dimensional na istrukturang ito ay kahawig ng mga boron row sa borophene model. Bilang karagdagan sa hanay ng mga puntos na tumutugma sa graphene, ang Fourier transform ng imahe sa 4G nagpapakita ng isang pares ng orthogonal point na tumutugma sa isang 3 Å x 5 Å rectangular lattice (4H), na nasa mahusay na kasunduan sa modelo ng borophene. Bilang karagdagan, ang naobserbahang triple orientation ng hanay ng mga linear na elemento (1E) ay sumasang-ayon nang mabuti sa parehong nangingibabaw na istraktura na naobserbahan para sa mga borophene sheet.
Ang lahat ng mga obserbasyong ito ay mariing nagmumungkahi ng intercalation ng graphene sa pamamagitan ng borophene malapit sa mga gilid ng Ag, na dahil dito ay humahantong sa pagbuo ng mga vertical borophene-graphene heterostructure, na maaaring mapakinabangan sa pamamagitan ng pagtaas ng paunang saklaw ng graphene.
4I ay isang eskematiko na representasyon ng isang patayong heterostructure sa 4H, kung saan ang direksyon ng boron row (pink arrow) ay malapit na nakahanay sa zigzag na direksyon ng graphene (black arrow), kaya bumubuo ng rotationally proportional vertical heterostructure.
Para sa isang mas detalyadong kakilala sa mga nuances ng pag-aaral, inirerekumenda ko ang pagtingin sa и sa kanya.
Epilogo
Ang pag-aaral na ito ay nagpakita na ang borophene ay lubos na may kakayahang bumuo ng lateral at vertical heterostructure na may graphene. Ang ganitong mga sistema ay maaaring gamitin sa pagbuo ng mga bagong uri ng dalawang-dimensional na elemento na ginagamit sa nanotechnology, flexible at wearable electronics, pati na rin ang mga bagong uri ng semiconductors.
Ang mga mananaliksik mismo ay naniniwala na ang kanilang pag-unlad ay maaaring maging isang malakas na pasulong para sa mga teknolohiyang nauugnay sa electronics. Gayunpaman, mahirap pa ring tiyakin na ang kanilang mga salita ay magiging makahulang. Sa ngayon, marami pa ring dapat saliksikin, unawain at iimbento upang ang mga ideyang science fiction na pumupuno sa isipan ng mga siyentipiko ay maging ganap na katotohanan.
Salamat sa pagbabasa, stay curious and have a great week guys. 🙂
Salamat sa pananatili sa amin. Gusto mo ba ang aming mga artikulo? Gustong makakita ng mas kawili-wiling nilalaman? Suportahan kami sa pamamagitan ng pag-order o pagrekomenda sa mga kaibigan, 30% na diskwento para sa mga gumagamit ng Habr sa isang natatanging analogue ng mga entry-level na server, na inimbento namin para sa iyo: (magagamit sa RAID1 at RAID10, hanggang 24 na core at hanggang 40GB DDR4).
Dell R730xd 2 beses na mas mura? Dito lang sa Netherlands! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mula $99! Basahin ang tungkol sa
Pinagmulan: www.habr.com