“Mutatsiya evolyutsiya sirini ochishning kalitidir. Eng oddiy organizmdan dominant biologik turgacha bo'lgan rivojlanish yo'li ming yillar davom etadi. Ammo har yuz ming yilda evolyutsiyada keskin sakrash bo'ladi" (Charlz Xavier, X-Men, 2000). Agar biz komikslar va filmlarda mavjud bo'lgan barcha ilmiy-fantastik elementlardan voz kechsak, professor Xning so'zlari juda to'g'ri bo'ladi. Biror narsaning rivojlanishi ko'pincha bir tekis davom etadi, lekin ba'zida butun jarayonga katta ta'sir ko'rsatadigan sakrashlar mavjud. Bu nafaqat turlarning evolyutsiyasiga, balki asosiy harakatlantiruvchisi odamlar, ularning tadqiqotlari va ixtirolari bo'lgan texnologiya evolyutsiyasiga ham tegishli. Bugun biz, uning mualliflarining fikricha, nanotexnologiyada haqiqiy evolyutsion sakrash bo'lgan tadqiqot bilan tanishamiz. Shimoli-g'arbiy universiteti (AQSh) olimlari qanday qilib yangi ikki o'lchovli geterostrukturani yaratishga muvaffaq bo'lishdi, nima uchun grafen va borofen asos sifatida tanlangan va bunday tizim qanday xususiyatlarga ega bo'lishi mumkin? Tadqiqot guruhining hisoboti bu haqda bizga xabar beradi. Bor.
Tadqiqot asoslari
Biz "grafen" atamasini ko'p marta eshitganmiz; bu uglerodning ikki o'lchovli modifikatsiyasi bo'lib, qalinligi 1 atom bo'lgan uglerod atomlari qatlamidan iborat. Ammo "borofen" juda kam uchraydi. Bu atama faqat bor (B) atomlaridan tashkil topgan ikki o'lchovli kristallni anglatadi. Borofenning mavjudligi ehtimoli birinchi marta 90-yillarning o'rtalarida bashorat qilingan, ammo amalda bu tuzilma faqat 2015 yilga kelib olingan.
Borofenning atom tuzilishi uchburchak va olti burchakli elementlardan iborat bo'lib, ikki markazli va ko'p markazli tekislikdagi bog'lanishlar o'rtasidagi o'zaro ta'sirning natijasidir, bu borni o'z ichiga olgan elektron etishmovchiligi bo'lgan elementlar uchun juda xosdir.
*Ikki markazli va ko'p markazli bog'lar deganda biz kimyoviy bog'larni - molekula yoki kristalning yagona struktura sifatida barqarorligini tavsiflovchi atomlarning o'zaro ta'sirini tushunamiz. Misol uchun, ikki markazli ikki elektronli bog'lanish 2 atom 2 elektronni taqsimlaganda, ikki markazli uch elektronli bog'lanish 2 atom va 3 elektron va boshqalar bo'lganda paydo bo'ladi.
Jismoniy nuqtai nazardan, borofen grafenga qaraganda kuchliroq va moslashuvchan bo'lishi mumkin. Borofen konstruktsiyalari batareyalar uchun samarali qo'shimcha bo'lishi mumkin, deb ishoniladi, chunki borofen yuqori o'ziga xos quvvatga ega va noyob elektron o'tkazuvchanlik va ionlarni tashish xususiyatlariga ega. Biroq, hozircha bu faqat nazariya.
Bo'lish uch valentli element*, bor kamida 10 ga ega allotroplar*. Ikki o'lchovli shaklda, shunga o'xshash polimorfizm* ham kuzatiladi.
Uch valentli element* valentligi uchta bo'lgan uchta kovalent bog'lanishni yaratishga qodir.
Allotropiya* - bitta kimyoviy element ikki yoki undan ortiq oddiy moddalar shaklida taqdim etilishi mumkin bo'lganda. Misol tariqasida, uglerod - olmos, grafen, grafit, uglerod nanotubalari va boshqalar.
Polimorfizm* - moddaning turli kristall tuzilmalarda mavjud bo'lish qobiliyati (polimorf modifikatsiyalari). Oddiy moddalarda bu atama allotropiya bilan sinonimdir.
Ushbu keng polimorfizmni hisobga olgan holda, borofen yangi ikki o'lchovli heterostrukturalarni yaratish uchun ajoyib nomzod bo'lishi mumkin, chunki turli xil bor bog'lanish konfiguratsiyasi panjara mos keladigan talablarni yumshatishi kerak. Afsuski, bu masala ilgari sintezdagi qiyinchiliklar tufayli faqat nazariy darajada o'rganilgan.
Ommaviy qatlamli kristallardan olingan an'anaviy 2D materiallar uchun vertikal heterostrukturalar mexanik stacking yordamida amalga oshirilishi mumkin. Boshqa tomondan, ikki o'lchovli lateral heterostrukturalar pastdan yuqoriga sintezga asoslangan. Atom jihatdan aniq lateral heterostrukturalar hetero-bo'g'in funktsional boshqaruv muammolarini hal qilishda katta imkoniyatlarga ega, ammo kovalent bog'lanish tufayli, nomukammal panjara moslashuvi odatda keng va tartibsiz interfeyslarga olib keladi. Shuning uchun salohiyat bor, lekin uni amalga oshirishda muammolar ham mavjud.
Ushbu ishda tadqiqotchilar borofen va grafenni bitta ikki o'lchovli geterostrukturaga birlashtirishga muvaffaq bo'lishdi. Borofen va grafen o'rtasidagi kristallografik panjaraning nomutanosibligi va simmetriyasiga qaramay, uglerod va borning Ag (111) substratiga ultra yuqori vakuum (UHV) ostida ketma-ket cho'kishi deyarli atomik jihatdan aniq lateral heterointerfeyslarga olib keladi, shuningdek, to'rning vertikal hizalanishi, .
Tadqiqotga tayyorgarlik
Geterostrukturani o'rganishdan oldin uni o'ylab topish kerak edi. Grafen va borofenning o'sishi 1x10-10 millibar bosimli o'ta yuqori vakuumli kamerada amalga oshirildi.
Yagona kristalli Ag(111) substrati atomik toza va tekis Ag() ni olish uchun Ar+ püskürtme (1 x 10-5 millibar, 800 eV, 30 daqiqa) va termal tavlanish (550 °C, 45 minut)ning takroriy sikllari bilan tozalandi. 111) sirt.
Grafen diametri 99,997 mm bo'lgan sof (2.0%) grafit tayog'ini ~ 750 A isitish oqimida va ~ 111 kV tezlashtiruvchi kuchlanishda 1.6 ° C ga qizdirilgan Ag (2) substratga elektron nurlari bug'lanishi orqali o'stirildi. , bu ~ 70 mA emissiya oqimi va uglerod oqimi ~ 40 nA beradi. Kameradagi bosim 1 x 10-9 millibar edi.
Borofen sof (99,9999%) bor tayoqchasini 400-500 °C gacha qizdirilgan Ag (111) da submonolayer grafenga elektron nurlari bug'lanishi orqali yetishtirildi. Filament oqimi ~ 1.5 A va tezlashtiruvchi kuchlanish 1.75 kV ni tashkil etdi, bu ~ 34 mA emissiya oqimi va ~ 10 nA bor oqimini beradi. Borofenning o'sishi paytida kameradagi bosim taxminan 2 x 10-10 millibarni tashkil etdi.
Tadqiqot natijalari
Rasm №1
Rasmda 1A ko'rsatilgan STM* o'sib chiqqan grafenning surati, bu erda grafen domenlari xarita yordamida eng yaxshi tasvirlangan dI/dV (1B) qaerda I и V tunnel oqimi va namunaning siljishi, va d - zichlik.
STM* — skanerlovchi tunnel mikroskopi.
dI/dV namuna xaritalari Ag (111) substratiga nisbatan grafen holatining yuqori mahalliy zichligini ko'rishga imkon berdi. Oldingi tadqiqotlarga ko'ra, Ag (111) sirt holati bosqichma-bosqich xarakterga ega bo'lib, ijobiy energiya tomon siljiydi. dI/dV grafen spektri (1С), bu grafen holatining yuqori mahalliy zichligini tushuntiradi 1B 0.3 eV da.
Rasmda 1D biz bir qatlamli grafenning tuzilishini ko'rishimiz mumkin, bu erda chuqurchalar panjarasi va muar ustki tuzilishi*.
Yuqori tuzilma* - kristalli birikma strukturasining ma'lum bir oraliqda takrorlanadigan va shu bilan boshqa almashinish davriga ega bo'lgan yangi struktura hosil qiluvchi xususiyati.
Muar* - bir-birining ustiga ikkita davriy to'r naqshlarining superpozitsiyasi.
Pastroq haroratlarda o'sish dendritik va nuqsonli grafen domenlarining shakllanishiga olib keladi. Grafen va asosiy substrat o'rtasidagi zaif o'zaro ta'sir tufayli, grafenning asosiy Ag (111) ga nisbatan aylanish hizalanishi noyob emas.
Bor cho'ktirilgandan so'ng, skanerlash tunnel mikroskopiyasi (1E) borofen va grafen domenlarining kombinatsiyasi mavjudligini ko'rsatdi. Rasmda grafen ichidagi hududlar ham ko'rinadi, ular keyinchalik borofen bilan birlashtirilgan grafen sifatida aniqlangan (rasmda ko'rsatilgan). Gr/B). Ushbu sohada uch yo'nalishda yo'naltirilgan va 120 ° burchak bilan ajratilgan chiziqli elementlar ham aniq ko'rinadi (sariq o'qlar).
Rasm №2
Surat yoqilgan 2A, shuningdek 1E, bor cho'kmasidan keyin grafenda mahalliylashtirilgan qorong'u tushkunliklarning ko'rinishini tasdiqlang.
Ushbu shakllanishlarni yaxshiroq o'rganish va ularning kelib chiqishini aniqlash uchun xuddi shu hududning boshqa fotosurati olingan, ammo xaritalar |dln yordamida.I/dz| (2B), qaerda I - tunnel oqimi; d zichligi, va z — zond-namunani ajratish (mikroskop ignasi va namuna orasidagi bo'shliq). Ushbu texnikadan foydalanish yuqori fazoviy o'lchamdagi tasvirlarni olish imkonini beradi. Buning uchun mikroskop ignasida CO yoki H2 dan ham foydalanishingiz mumkin.
Rasmli tasvir 2С uchi CO bilan qoplangan STM yordamida olingan tasvirdir. Tasvirlarni taqqoslash А, В и С barcha atom elementlari ikkita teng bo'lmagan yo'nalishda (fotosuratlarda qizil va sariq uchburchaklar) yo'naltirilgan uchta qo'shni yorqin olti burchaklar sifatida aniqlanganligini ko'rsatadi.
Bu hududning kattalashtirilgan tasvirlari (2D) bu elementlarning ikkita grafen pastki panjarasini egallagan bor dopanti aralashmalari bilan mos kelishini tasdiqlang, buning ustiga o'rnatilgan tuzilmalar ko'rsatadi.
Mikroskop ignasining CO qoplamasi borofen qatlamining geometrik tuzilishini aniqlashga imkon berdi (2E), agar igna CO qoplamasi bo'lmagan standart (metall) bo'lsa, bu mumkin emas edi.
Rasm №3
Borofen va grafen o'rtasida lateral geterointerfeyslarning shakllanishi (3A) borofen allaqachon bor o'z ichiga olgan grafen domenlari yonida o'sganda paydo bo'lishi kerak.
Olimlarning eslatishicha, grafen-hBN (grafen + bor nitridi) asosidagi lateral geterointerfeyslar panjara konsistensiyasiga ega, o'tish metalli dikalkogenidlari asosidagi geterobirikmalar esa simmetriya konsistensiyasiga ega. Grafen/borofen holatida vaziyat biroz boshqacha - ular panjara konstantalari yoki kristall simmetriya nuqtai nazaridan minimal tizimli o'xshashlikka ega. Biroq, shunga qaramay, lateral grafen/borofen heterointerfeys deyarli mukammal atom konsistensiyasini namoyish etadi, bor qatori (B-qator) yoʻnalishlari grafenning zigzag (ZZ) yoʻnalishlariga toʻgʻri keladi.3A). Yoniq 3B heterointerfeysning ZZ mintaqasining kattalashtirilgan tasviri ko'rsatilgan (ko'k chiziqlar bor-uglerod kovalent bog'lanishlariga mos keladigan interfaal elementlarni bildiradi).
Borofen grafenga nisbatan pastroq haroratda o'sganligi sababli, grafen domenining qirralari borofen bilan geterointerfeys hosil qilganda yuqori harakatchanlikka ega bo'lishi dargumon. Shuning uchun, deyarli atomik aniq heterointerfeys, ehtimol, ko'p qirrali bor aloqalarining turli xil konfiguratsiyasi va xususiyatlarining natijasidir. Skanerli tunnelli spektroskopiya spektrlari (3С) va differensial tunnel o'tkazuvchanligi (3D) grafendan borofenga elektron o'tish ~5 Å masofada ko'rinadigan interfeys holatlarisiz sodir bo'lishini ko'rsatadi.
Rasmda 3E 3D formatida uchta chiziqli chiziq bo'ylab olingan uchta skanerlash tunnelli spektroskopiya spektrlari ko'rsatilgan, bu qisqa elektron o'tish mahalliy interfaal tuzilmalarga sezgir emasligini va borofen-kumush interfeyslari bilan solishtirish mumkin.
Rasm №4
Grafen interkalatsiya* ilgari ham keng o'rganilgan, ammo interkalantlarni haqiqiy 2D varaqlarga aylantirish nisbatan kam uchraydi.
Interkalatsiya* - molekulalar yoki molekulalar guruhining boshqa molekulalar yoki molekulalar guruhlari orasiga teskari kiritilishi.
Borning kichik atom radiusi va grafen va Ag (111) o'rtasidagi zaif o'zaro ta'sir grafenning bor bilan aralashishi mumkinligini ko'rsatadi. Tasvirda 4A Dalillar nafaqat bor interkalatsiyasi, balki vertikal borofen-grafen geterostrukturalari, ayniqsa grafen bilan o'ralgan uchburchak domenlarning shakllanishi haqida ham keltirilgan. Ushbu uchburchak domenda kuzatilgan chuqurchalar panjarasi grafen mavjudligini tasdiqlaydi. Biroq, bu grafen atrofdagi grafen bilan solishtirganda -50 meVda pastroq mahalliy zichlikni namoyish etadi (4B). To'g'ridan-to'g'ri Ag (111) dagi grafen bilan solishtirganda, spektrdagi holatlarning yuqori mahalliy zichligi haqida hech qanday dalil yo'q. dI/dV (4C, Ag (111) sirt holatiga mos keladigan ko'k egri, bor interkalatsiyasining birinchi dalilidir.
Bundan tashqari, qisman interkalatsiya uchun kutilganidek, grafen panjarasi grafen va uchburchak mintaqasi o'rtasidagi lateral interfeys davomida uzluksiz bo'lib qoladi (4D - ustidagi to'rtburchak maydonga to'g'ri keladi 4A, qizil nuqta chiziq bilan aylana). Mikroskop ignasida CO dan foydalanilgan rasm ham bor o'rnini bosuvchi aralashmalar mavjudligini tasdiqladi (4E - ustidagi to'rtburchak maydonga to'g'ri keladi 4A, sariq nuqta chiziq bilan aylana).
Tahlil davomida hech qanday qoplamasiz mikroskop ignalari ham ishlatilgan. Bunday holda, interkalatsiyalangan grafen domenlarida davriyligi 5 Å bo'lgan bir o'lchovli chiziqli elementlarning belgilari aniqlandi (4F и 4G). Ushbu bir o'lchovli tuzilmalar borofen modelidagi bor qatorlariga o'xshaydi. Grafenga mos keladigan nuqtalar to'plamiga qo'shimcha ravishda, Furye tasvirni aylantiradi 4G 3 Å x 5 Å to'rtburchaklar panjaraga mos keladigan juft ortogonal nuqtalarni ko'rsatadi (4H), bu borofen modeliga juda mos keladi. Bundan tashqari, chiziqli elementlar massivining uch tomonlama yo'nalishi (1E) borofen plitalari uchun kuzatilgan bir xil ustun tuzilishga yaxshi mos keladi.
Bu kuzatuvlarning barchasi Ag chekkalari yaqinida grafenning borofen bilan interkalatsiyasini aniq ko'rsatmoqda, bu esa vertikal borofen-grafen geterostrukturalarining shakllanishiga olib keladi, bu esa grafenning dastlabki qoplamasini oshirish orqali foydali bo'lishi mumkin.
4I ustidagi vertikal geterostrukturaning sxematik tasviri 4H, bu erda bor qatorining yo'nalishi (pushti o'q) grafenning zigzag yo'nalishi (qora o'q) bilan chambarchas mos keladi, shuning uchun aylanish proportsional vertikal heterostrukturani hosil qiladi.
Tadqiqotning nuanslari bilan batafsilroq tanishish uchun men qarashni tavsiya qilaman и unga.
Epilog
Ushbu tadqiqot shuni ko'rsatdiki, borofen grafen bilan lateral va vertikal geterostrukturalarni shakllantirishga qodir. Bunday tizimlardan nanotexnologiyada qo‘llaniladigan ikki o‘lchovli elementlarning yangi turlarini, moslashuvchan va taqiladigan elektronika, shuningdek, yarim o‘tkazgichlarning yangi turlarini yaratishda foydalanish mumkin.
Tadqiqotchilarning o'zlari ularning rivojlanishi elektronika bilan bog'liq texnologiyalar uchun kuchli turtki bo'lishi mumkinligiga ishonishadi. Biroq, ularning so'zlari bashoratli bo'lib qolishini aniq aytish hali ham qiyin. Ayni paytda olimlarning ongini to'ldiradigan ilmiy fantastika g'oyalari to'liq haqiqatga aylanishi uchun hali ko'p izlanishlar, tushunish va ixtiro qilish kerak.
O'qiganingiz uchun tashakkur, qiziquvchan bo'ling va ajoyib hafta o'tkazing. 🙂
Biz bilan qolganingiz uchun tashakkur. Bizning maqolalarimiz sizga yoqdimi? Ko'proq qiziqarli tarkibni ko'rishni xohlaysizmi? Buyurtma berish yoki do'stlaringizga tavsiya qilish orqali bizni qo'llab-quvvatlang, Habr foydalanuvchilari uchun biz siz uchun ixtiro qilingan boshlang'ich darajadagi serverlarning noyob analogiga 30% chegirma: (RAID1 va RAID10, 24 tagacha yadro va 40 Gb gacha DDR4 bilan mavjud).
Dell R730xd 2 barobar arzonmi? Faqat shu yerda Gollandiyada! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - 99 dollardan! Haqida o'qing
Manba: www.habr.com