"Mutasyon, evrimin gizemini çözmenin anahtarıdır. En basit organizmadan baskın biyolojik türlere kadar olan gelişim yolu binlerce yıl sürmektedir. Ancak her yüz bin yılda bir, evrimde ileriye doğru keskin bir sıçrama olur" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Çizgi romanlarda ve filmlerde bulunan tüm bilim kurgu unsurlarını bir kenara bırakırsak Profesör X'in sözleri oldukça doğrudur. Bir şeyin gelişimi çoğu zaman eşit şekilde ilerler, ancak bazen tüm süreç üzerinde büyük etkisi olan sıçramalar da olur. Bu sadece türlerin evrimi için değil, aynı zamanda ana itici gücü insanlar, onların araştırmaları ve icatları olan teknolojinin evrimi için de geçerlidir. Bugün yazarlarına göre nanoteknolojide gerçek bir evrimsel sıçrama olan bir çalışmayla tanışacağız. Northwestern Üniversitesi'nden (ABD) bilim insanları iki boyutlu yeni bir heteroyapı oluşturmayı nasıl başardılar, neden grafen ve borofen temel olarak seçildi ve böyle bir sistem hangi özelliklere sahip olabilir? Araştırma grubunun raporu bize bunu anlatacak. Gitmek.
Araştırma temeli
Grafen terimini pek çok kez duymuşuzdur; 1 atom kalınlığında karbon atomlarından oluşan bir katmandan oluşan, karbonun iki boyutlu bir modifikasyonudur. Ancak “borofen” son derece nadirdir. Bu terim, yalnızca bor (B) atomlarından oluşan iki boyutlu bir kristali ifade eder. Borofenin var olma olasılığı ilk olarak 90'lı yılların ortalarında tahmin edilmişti, ancak pratikte bu yapı ancak 2015 yılında elde edilebildi.
Borofenin atomik yapısı üçgen ve altıgen elementlerden oluşur ve bor içeren elektron eksikliği olan elementler için çok tipik olan iki merkezli ve çok merkezli düzlem içi bağlar arasındaki etkileşimin bir sonucudur.
*İki merkezli ve çok merkezli bağlarla, kimyasal bağları, yani bir molekülün veya kristalin tek bir yapı olarak stabilitesini karakterize eden atomların etkileşimlerini kastediyoruz. Örneğin, iki merkezli iki elektronlu bağ, 2 atom 2 elektronu paylaştığında meydana gelir ve iki merkezli üç elektronlu bağ, 2 atom ve 3 elektron vb. paylaştığında meydana gelir.
Fiziksel açıdan borofen, grafenden daha güçlü ve daha esnek olabilir. Borofenin yüksek spesifik kapasiteye ve benzersiz elektronik iletkenliğe ve iyon taşıma özelliklerine sahip olması nedeniyle borofen yapılarının piller için etkili bir tamamlayıcı olabileceğine de inanılmaktadır. Ancak şu anda bu sadece bir teori.
Varlık üç değerlikli eleman*bor en az 10'a sahiptir allotroplar*. İki boyutlu olarak benzer polimorfizm* da gözlenmektedir.
Üç değerlikli eleman* değerliği üç olan üç kovalent bağ oluşturabilir.
Allotropi* - bir kimyasal element iki veya daha fazla basit madde şeklinde sunulabildiğinde. Örnek olarak karbon - elmas, grafen, grafit, karbon nanotüpleri vb.
Polimorfizm* - Bir maddenin farklı kristal yapılarda var olma yeteneği (polimorfik modifikasyonlar). Basit maddeler söz konusu olduğunda bu terim allotropi ile eş anlamlıdır.
Bu geniş polimorfizm göz önüne alındığında, borofenin yeni iki boyutlu heteroyapılar oluşturmak için mükemmel bir aday olabileceği öne sürülüyor, çünkü farklı bor bağlama konfigürasyonları kafes eşleştirme gerekliliklerini gevşetmeli. Ne yazık ki, bu konu daha önce sentezdeki zorluklar nedeniyle yalnızca teorik düzeyde çalışılmıştı.
Yığın katmanlı kristallerden elde edilen geleneksel 2 boyutlu malzemeler için dikey heteroyapılar, mekanik istifleme kullanılarak gerçekleştirilebilir. Öte yandan, iki boyutlu yanal heteroyapılar aşağıdan yukarıya senteze dayanmaktadır. Atomik olarak hassas yanal heteroyapılar, heteroeklem fonksiyonel kontrol problemlerini çözmede büyük potansiyele sahiptir, ancak kovalent bağlanma nedeniyle kusurlu kafes eşleşmesi tipik olarak geniş ve düzensiz arayüzlerle sonuçlanır. Dolayısıyla potansiyel var ama onu hayata geçirmede sorunlar da var.
Bu çalışmada araştırmacılar borofen ve grafeni tek bir iki boyutlu heteroyapıya entegre etmeyi başardılar. Borofen ve grafen arasındaki kristalografik kafes uyumsuzluğuna ve simetriye rağmen, karbon ve borun ultra yüksek vakum (UHV) altında bir Ag(111) substratı üzerine sıralı birikmesi, tahmin edilen kafes hizalamalarına sahip neredeyse atomik olarak hassas yanal heteroarayüzlerin yanı sıra dikey heteroarayüzlerle sonuçlanır. .
Çalışma hazırlığı
Heteroyapıyı incelemeden önce onun üretilmesi gerekiyordu. Grafen ve borofenin büyütülmesi, 1x10-10 milibar basınca sahip ultra yüksek bir vakum odasında gerçekleştirildi.
Tek kristal Ag(111) substratı, atomik olarak temiz ve düz bir Ag( 1) yüzey.
Grafen, ~ 99,997 A ısıtma akımında ve ~ 2.0 kV hızlanma voltajında 750 ° C'ye ısıtılmış bir Ag (111) substratı üzerinde 1.6 mm çapında saf (% 2) bir grafit çubuğun elektron ışınıyla buharlaştırılmasıyla büyütüldü. ~ 70 mA emisyon akımı ve ~40 nA karbon akısı verir. Odadaki basınç 1 x 10-9 milibardı.
Borofen, saf (%99,9999) bir bor çubuğunun, 400-500 °C'ye ısıtılan Ag (111) üzerindeki alt tek katmanlı grafen üzerinde elektron ışınıyla buharlaştırılması yoluyla büyütüldü. Filament akımı ~1.5 A ve hızlanma voltajı 1.75 kV idi, bu da ~34 mA emisyon akımı ve ~10 nA bor akısı verir. Borofenin büyümesi sırasında haznedeki basınç yaklaşık 2 x 10-10 milibardı.
Araştırma sonuçları
Resim #1
resim üzerinde 1A gösterilen STM* Grafen alanlarının en iyi şekilde bir harita kullanılarak görselleştirildiği, büyütülmüş grafenin anlık görüntüsü dI/dV (1V), Nerede I и V tünel akımı ve numune yer değiştirmesidir ve d - yoğunluk.
STM* - Tarama tünel mikroskopu.
dI/dV Numunenin haritaları, Ag(111) substratına kıyasla grafenin durumlarının daha yüksek yerel yoğunluğunu görmemize olanak sağladı. Önceki çalışmalara uygun olarak Ag (111)’in yüzey durumu pozitif enerjilere doğru kaydırılan bir basamak karakteristiğine sahiptir. dI/dV grafen spektrumu (1S), bu da grafenin durumlarının daha yüksek yerel yoğunluğunu açıklıyor 1V 0.3 eV'de.
resim üzerinde 1D tek katmanlı grafenin yapısını görebiliriz; burada bal peteği kafesi ve Hareli üst yapı*.
Üst yapı* - kristalli bir bileşiğin yapısının belirli aralıklarla tekrarlanan ve böylece farklı bir değişim periyoduna sahip yeni bir yapı oluşturan bir özelliği.
Hareli* - iki periyodik ağ deseninin üst üste bindirilmesi.
Daha düşük sıcaklıklarda büyüme, dendritik ve kusurlu grafen alanlarının oluşumuna yol açar. Grafen ile alttaki substrat arasındaki zayıf etkileşimler nedeniyle, grafenin alttaki Ag(111)'e göre dönme hizalaması benzersiz değildir.
Bor birikmesinden sonra taramalı tünelleme mikroskobu (1E) borofen ve grafen alanlarının bir kombinasyonunun varlığını gösterdi. Görüntüde ayrıca, grafenin içindeki, daha sonra borofen ile birleştirilmiş grafen olduğu tanımlanan bölgeler de görülebilmektedir (görüntüde belirtilmiştir). gr/B). Üç yöne yönlendirilmiş ve 120°'lik bir açıyla ayrılmış doğrusal elemanlar da bu alanda açıkça görülebilmektedir (sarı oklar).
Resim #2
Fotoğraf açık 2AGibi 1E, bor birikmesinden sonra grafende lokalize koyu çöküntülerin görünümünü doğrulayın.
Bu oluşumları daha iyi incelemek ve kökenlerini öğrenmek için aynı bölgenin başka bir fotoğrafı çekildi, ancak haritalar kullanılarak |dlnI/dz| (2B), burada I - tünel akımı, d yoğunluk ve z — prob-numune ayrımı (mikroskop iğnesi ile numune arasındaki boşluk). Bu tekniğin kullanılması, yüksek uzaysal çözünürlüğe sahip görüntülerin elde edilmesini mümkün kılar. Bunun için mikroskop iğnesinde CO veya H2 de kullanabilirsiniz.
görüntü 2S ucu CO ile kaplanmış bir STM kullanılarak elde edilen bir görüntüdür. Görsellerin karşılaştırılması А, В и С tüm atomik elementlerin, iki eşit olmayan yöne (fotoğraflarda kırmızı ve sarı üçgenler) yönlendirilmiş üç bitişik parlak altıgen olarak tanımlandığını gösterir.
Bu alanın büyütülmüş görüntüleri (2D) bu elemanların, üst üste bindirilmiş yapıların gösterdiği gibi, iki grafen alt örgüsünü kaplayan bor katkı maddesi safsızlıklarıyla uyumlu olduğunu doğrulayın.
Mikroskop iğnesinin CO kaplaması, borofen tabakasının geometrik yapısını ortaya çıkarmayı mümkün kıldı (2E), eğer iğne CO kaplamasız standart (metal) olsaydı bu imkansız olurdu.
Resim #3
Borofen ve grafen arasında yanal heteroara yüzeylerin oluşumu (3A), zaten bor içeren grafen alanlarının yanında borofen büyüdüğünde meydana gelmelidir.
Bilim insanları, grafen-hBN (grafen + bor nitrür) bazlı yanal heteroara yüzeylerin kafes tutarlılığına sahip olduğunu, geçiş metali dikalkojenit bazlı heteroeklemlerin ise simetri tutarlılığına sahip olduğunu hatırlatıyor. Grafen/borofen durumunda durum biraz farklıdır; kafes sabitleri veya kristal simetrisi açısından minimum yapısal benzerliğe sahiptirler. Bununla birlikte, buna rağmen, yanal grafen/borofen heteroara yüzeyi neredeyse mükemmel atomik tutarlılık göstermektedir; bor sırası (B-sıra) yönleri, grafenin zigzag (ZZ) yönleriyle hizalanmıştır (3A). Açık 3V hetero arayüzün ZZ bölgesinin büyütülmüş bir görüntüsü gösterilmektedir (mavi çizgiler, bor-karbon kovalent bağlarına karşılık gelen arayüz elemanlarını gösterir).
Borofen, grafene kıyasla daha düşük bir sıcaklıkta büyüdüğünden, grafen alanının kenarlarının, borofen ile bir heterointerface oluştururken yüksek hareketliliğe sahip olması pek olası değildir. Bu nedenle, neredeyse atomik olarak kesin olan heteroarayüz muhtemelen çok bölgeli bor bağlarının farklı konfigürasyonları ve özelliklerinin bir sonucudur. Taramalı tünelleme spektroskopisi spektrumları (3S) ve diferansiyel tünel iletkenliği (3D) grafenden borofene elektronik geçişin görünür arayüz durumları olmadan ~5 Å mesafe boyunca gerçekleştiğini göstermektedir.
resim üzerinde 3E Gösterilen, 3 boyutlu üç kesikli çizgi boyunca alınan üç tarama tünelleme spektroskopisi spektrumudur; bu, bu kısa elektronik geçişin yerel arayüz yapılarına karşı duyarsız olduğunu ve borofen-gümüş arayüzlerindekiyle karşılaştırılabilir olduğunu doğrular.
Resim #4
Grafen enterkalasyon* daha önce de geniş çapta incelenmiştir, ancak ara katkıların gerçek 2 boyutlu sayfalara dönüştürülmesi nispeten nadirdir.
Ara katman* - Bir molekülün veya molekül grubunun diğer moleküller veya molekül grupları arasına geri dönüşümlü olarak dahil edilmesi.
Borun küçük atom yarıçapı ve grafen ile Ag(111) arasındaki zayıf etkileşim, grafenin bor ile olası bir araya gelmesini önerir. Resimde 4A Yalnızca borun ara katmanlaşmasına değil, aynı zamanda dikey borofen-grafen heteroyapılarının, özellikle de grafenle çevrelenen üçgen alanların oluşumuna ilişkin kanıtlar sunulmaktadır. Bu üçgen alanda gözlemlenen bal peteği kafesi, grafenin varlığını doğrulamaktadır. Bununla birlikte, bu grafen, çevredeki grafene kıyasla -50 meV'de daha düşük bir yerel durum yoğunluğu sergiler (4V). Doğrudan Ag(111) üzerindeki grafen ile karşılaştırıldığında, spektrumda yüksek yerel durum yoğunluğunun kanıtı yoktur. dI/dV (4CAg(111) yüzey durumuna karşılık gelen mavi eğri, bor interkalasyonunun ilk kanıtıdır.
Ayrıca, kısmi interkalasyon için beklendiği gibi, grafen kafesi, grafen ile üçgen bölge arasındaki yanal arayüz boyunca sürekli kalır (4D - dikdörtgen bir alana karşılık gelir 4A, kırmızı noktalı çizgiyle daire içine alınmıştır). Mikroskop iğnesi üzerinde COXNUMX kullanılan bir görüntü aynı zamanda bor ikame safsızlıklarının varlığını da doğruladı (4E - dikdörtgen bir alana karşılık gelir 4A, sarı noktalı çizgiyle daire içine alınmıştır).
Analiz sırasında herhangi bir kaplaması olmayan mikroskop iğneleri de kullanıldı. Bu durumda, ara katkılı grafen alanlarında 5 Å periyodikliğe sahip tek boyutlu doğrusal elemanların işaretleri ortaya çıktı (4F и 4G). Bu tek boyutlu yapılar borofen modelindeki bor sıralarına benzemektedir. Grafene karşılık gelen noktalar kümesine ek olarak görüntünün Fourier dönüşümü 4G 3 Å x 5 Å dikdörtgen bir kafese karşılık gelen bir çift dik noktayı görüntüler (4Н), borofen modeliyle mükemmel bir uyum içindedir. Ek olarak, doğrusal elemanlar dizisinin gözlemlenen üçlü yönelimi (1E) borofen tabakaları için gözlemlenen aynı baskın yapıyla iyi uyum sağlar.
Tüm bu gözlemler, Ag'nin kenarlarına yakın borofen tarafından grafenin eklenmesini kuvvetle önerir; bu, sonuç olarak, grafenin başlangıçtaki kapsamının arttırılmasıyla avantajlı bir şekilde gerçekleştirilebilecek dikey borofen-grafen heteroyapılarının oluşumuna yol açar.
4I dikey bir heteroyapının şematik temsilidir. 4Hburada bor sırasının yönü (pembe ok), grafenin zikzak yönü (siyah ok) ile yakından hizalanır, böylece dönmeyle orantılı bir dikey heteroyapı oluşur.
Çalışmanın nüansları hakkında daha ayrıntılı bilgi için, şuna bakmanızı tavsiye ederim: и ona.
Sonuç bölümü
Bu çalışma, borofenin grafen ile yanal ve dikey heteroyapılar oluşturma konusunda oldukça yetenekli olduğunu gösterdi. Bu tür sistemler nanoteknolojide kullanılan yeni tip iki boyutlu elemanların, esnek ve giyilebilir elektroniklerin yanı sıra yeni tip yarı iletkenlerin geliştirilmesinde de kullanılabilir.
Araştırmacılar, geliştirmelerinin elektronikle ilgili teknolojiler için güçlü bir ilerleme olabileceğine inanıyor. Ancak sözlerinin kehanet niteliğinde olacağını kesin olarak söylemek yine de zordur. Bilim adamlarının zihnini dolduran bilim kurgu fikirlerinin tam teşekküllü bir gerçeğe dönüşmesi için şu anda araştırılacak, anlaşılacak ve icat edilecek çok şey var.
Okuduğunuz için teşekkürler, meraklı kalın ve harika bir hafta geçirin arkadaşlar. 🙂
Bizimle kaldığın için teşekkürler. Yazılarımızı beğeniyor musunuz? Daha ilginç içerik görmek ister misiniz? Sipariş vererek veya arkadaşlarınıza tavsiye ederek bize destek olun, Habr kullanıcıları için, bizim tarafımızdan sizin için icat ettiğimiz benzersiz bir giriş seviyesi sunucu analogunda %30 indirim: (RAID1 ve RAID10, 24 adede kadar çekirdek ve 40 GB'a kadar DDR4 ile mevcuttur).
Dell R730xd 2 kat daha mı ucuz? Sadece burada Hollanda'da! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99$'dan! Hakkında oku
Kaynak: habr.com