“Đột biến là chìa khóa để làm sáng tỏ bí ẩn của quá trình tiến hóa. Con đường phát triển từ sinh vật đơn giản nhất đến loài sinh vật ưu thế kéo dài hàng ngàn năm. Nhưng cứ mỗi trăm nghìn năm lại có một bước tiến nhảy vọt trong quá trình tiến hóa" (Charles Xavier, X-Men, 2000). Nếu loại bỏ hết yếu tố khoa học viễn tưởng có trong truyện tranh, phim ảnh thì lời nói của Giáo sư X là hoàn toàn đúng. Quá trình phát triển của một thứ gì đó diễn ra đồng đều trong hầu hết thời gian, nhưng đôi khi có những bước nhảy vọt có tác động rất lớn đến toàn bộ quá trình. Điều này không chỉ áp dụng cho sự tiến hóa của các loài mà còn áp dụng cho sự phát triển của công nghệ, động lực chính là con người, nghiên cứu và phát minh của họ. Hôm nay chúng ta sẽ làm quen với một nghiên cứu mà theo các tác giả của nó, đó là một bước tiến hóa thực sự trong công nghệ nano. Các nhà khoa học từ Đại học Northwestern (Mỹ) đã làm cách nào để tạo ra một cấu trúc dị thể hai chiều mới, tại sao graphene và borophene được chọn làm cơ sở và hệ thống như vậy có thể có những đặc tính gì? Báo cáo của nhóm nghiên cứu sẽ cho chúng ta biết về điều này. Đi.
Cơ sở nghiên cứu
Chúng ta đã nghe thuật ngữ “graphene” nhiều lần; nó là một dạng biến đổi hai chiều của carbon, bao gồm một lớp nguyên tử carbon dày 1 nguyên tử. Nhưng “borofen” cực kỳ hiếm. Thuật ngữ này đề cập đến một tinh thể hai chiều chỉ bao gồm các nguyên tử boron (B). Khả năng tồn tại của borophene lần đầu tiên được dự đoán vào giữa những năm 90, nhưng trên thực tế, người ta chỉ có thể có được cấu trúc này vào năm 2015.
Cấu trúc nguyên tử của borophene bao gồm các nguyên tố hình tam giác và lục giác và là hệ quả của sự tương tác giữa các liên kết hai tâm và đa tâm trong mặt phẳng, rất đặc trưng cho các nguyên tố thiếu electron, bao gồm boron.
*Khi nói đến liên kết hai trung tâm và đa trung tâm, chúng tôi muốn nói đến liên kết hóa học - sự tương tác của các nguyên tử đặc trưng cho tính ổn định của phân tử hoặc tinh thể dưới dạng một cấu trúc duy nhất. Ví dụ, liên kết hai electron hai tâm xảy ra khi 2 nguyên tử chia sẻ 2 electron và liên kết ba electron hai tâm xảy ra khi 2 nguyên tử và 3 electron, v.v..
Từ quan điểm vật lý, borophene có thể mạnh hơn và linh hoạt hơn graphene. Người ta cũng tin rằng cấu trúc borophene có thể là sự bổ sung hiệu quả cho pin vì borophene có công suất riêng cao và các đặc tính dẫn điện và vận chuyển ion độc đáo. Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại đây chỉ là lý thuyết.
Là nguyên tố hóa trị ba*, boron có ít nhất 10 dạng thù hình*. Ở dạng hai chiều, tương tự đa hình* cũng được quan sát.
Nguyên tố hóa trị ba* có khả năng hình thành ba liên kết cộng hóa trị, hóa trị của chúng là ba.
Phân bổ* - khi một nguyên tố hóa học có thể được trình bày dưới dạng hai hoặc nhiều chất đơn giản. Ví dụ như carbon - kim cương, graphene, than chì, ống nano carbon, v.v.
Đa hình* - khả năng của một chất tồn tại trong các cấu trúc tinh thể khác nhau (biến đổi đa hình). Trong trường hợp các chất đơn giản, thuật ngữ này đồng nghĩa với tính đẳng hướng.
Với tính đa hình rộng này, người ta cho rằng borophene có thể là một ứng cử viên xuất sắc để tạo ra các cấu trúc dị thể hai chiều mới, vì các cấu hình liên kết boron khác nhau sẽ làm giảm bớt các yêu cầu kết hợp mạng tinh thể. Thật không may, vấn đề này trước đây chỉ được nghiên cứu ở cấp độ lý thuyết do khó khăn trong việc tổng hợp.
Đối với các vật liệu 2D thông thường thu được từ các tinh thể phân lớp số lượng lớn, các cấu trúc dị thể dọc có thể được thực hiện bằng cách xếp chồng cơ học. Mặt khác, cấu trúc dị thể hai chiều bên dựa trên sự tổng hợp từ dưới lên. Tuy nhiên, các cấu trúc dị thể bên chính xác về mặt nguyên tử có tiềm năng lớn trong việc giải quyết các vấn đề kiểm soát chức năng dị vòng, tuy nhiên, do liên kết cộng hóa trị, việc kết hợp mạng không hoàn hảo thường dẫn đến các giao diện rộng và rối loạn. Vì vậy, có tiềm năng nhưng cũng có những vấn đề trong việc hiện thực hóa nó.
Trong công trình này, các nhà nghiên cứu đã tìm cách tích hợp borophene và graphene thành một cấu trúc dị thể hai chiều. Bất chấp sự không khớp và đối xứng của mạng tinh thể giữa borophene và graphene, sự lắng đọng tuần tự của carbon và boron trên chất nền Ag (111) trong chân không cực cao (UHV) dẫn đến các giao diện dị vòng bên gần như chính xác về mặt nguyên tử với sự sắp xếp mạng tinh thể dự đoán, cũng như các giao diện dị thể dọc .
chuẩn bị học tập
Trước khi nghiên cứu cấu trúc dị thể, nó phải được chế tạo. Sự phát triển của graphene và borophene được thực hiện trong buồng chân không cực cao với áp suất 1x10-10 milibar.
Chất nền đơn tinh thể Ag(111) được làm sạch bằng các chu kỳ phún xạ Ar+ lặp đi lặp lại (1 x 10-5 milibar, 800 eV, 30 phút) và ủ nhiệt (550 °C, 45 phút) để thu được Ag( 111) bề mặt. .
Graphene được phát triển bằng cách làm bay hơi chùm tia điện tử của một thanh than chì nguyên chất (99,997%) có đường kính 2.0 mm trên đế Ag (750) được nung nóng đến 111 ° C ở dòng điện ~ 1.6 A và điện áp gia tốc ~ 2 kV , tạo ra dòng phát xạ ~ 70 mA và dòng carbon ~ 40 nA. Áp suất trong buồng là 1 x 10-9 milibar.
Borophene được phát triển thông qua sự bay hơi chùm tia điện tử của thanh bo nguyên chất (99,9999%) lên graphene dưới lớp đơn trên Ag (400) được nung nóng đến 500-111 °C. Dòng điện dây tóc là ~1.5 A và điện áp gia tốc là 1.75 kV, tạo ra dòng phát xạ ~34 mA và dòng boron ~10 nA. Áp suất trong buồng trong quá trình phát triển của borophene là khoảng 2 x 10-10 milibar.
Kết quả nghiên cứu
Hình ảnh số 1
trên hình ảnh 1А cho xem STM* ảnh chụp nhanh về graphene đã phát triển, trong đó các miền graphene được hiển thị rõ nhất bằng cách sử dụng bản đồ dI/dV (1V), Ở đâu I и V là dòng điện xuyên hầm và độ dịch chuyển mẫu, và d - Tỉ trọng.
STM* - Kính hiển vi quét sử dụng hiệu ứng đường hầm.
dI/dV bản đồ của mẫu cho phép chúng tôi thấy mật độ trạng thái cục bộ của graphene cao hơn so với chất nền Ag (111). Theo các nghiên cứu trước đây, trạng thái bề mặt của Ag (111) có tính chất bậc thang, dịch chuyển theo hướng năng lượng dương bởi dI/dV quang phổ của graphene (1S), điều này giải thích mật độ trạng thái cục bộ cao hơn của graphene trên 1V ở mức 0.3 eV.
trên hình ảnh 1D chúng ta có thể thấy cấu trúc của graphene một lớp, trong đó mạng lưới tổ ong và cấu trúc thượng tầng moiré*.
Cấu trúc thượng tầng* - một đặc điểm về cấu trúc của một hợp chất tinh thể lặp lại ở một khoảng thời gian nhất định và do đó tạo ra một cấu trúc mới với chu kỳ xen kẽ khác nhau.
Moire* - sự chồng chất của hai mẫu lưới định kỳ lên nhau.
Ở nhiệt độ thấp hơn, sự tăng trưởng dẫn đến sự hình thành các miền graphene có đuôi gai và bị khiếm khuyết. Do tương tác yếu giữa graphene và chất nền bên dưới, sự liên kết quay của graphene đối với Ag(111) bên dưới không phải là duy nhất.
Sau khi lắng đọng boron, kính hiển vi quét đường hầm (1E) cho thấy sự hiện diện của sự kết hợp giữa các miền borophene và graphene. Cũng có thể nhìn thấy trong hình ảnh là các vùng bên trong graphene, sau này được xác định là graphene xen kẽ với borophene (được biểu thị trong hình ảnh Gr/B). Các phần tử tuyến tính được định hướng theo ba hướng và cách nhau một góc 120° cũng có thể nhìn thấy rõ ràng trong khu vực này (mũi tên màu vàng).
Hình ảnh số 2
Ảnh bật 2АNhư 1E, xác nhận sự xuất hiện của các vết lõm tối cục bộ trong graphene sau khi lắng đọng boron.
Để kiểm tra rõ hơn các thành tạo này và tìm ra nguồn gốc của chúng, một bức ảnh khác đã được chụp ở cùng khu vực này nhưng sử dụng bản đồ |dlnI/dz| (2B), ở đâu I - dòng điện đường hầm, d là mật độ và z - tách mẫu đầu dò (khoảng cách giữa kim hiển vi và mẫu). Việc sử dụng kỹ thuật này giúp có thể thu được hình ảnh có độ phân giải không gian cao. Bạn cũng có thể sử dụng CO hoặc H2 trên kim hiển vi cho việc này.
Изображение 2S là hình ảnh thu được bằng cách sử dụng STM có đầu được phủ CO. So sánh hình ảnh А, В и С cho thấy tất cả các nguyên tố nguyên tử được định nghĩa là ba hình lục giác sáng liền kề hướng theo hai hướng không tương đương (hình tam giác màu đỏ và màu vàng trong ảnh).
Hình ảnh phóng to của khu vực này (2D) xác nhận rằng các nguyên tố này phù hợp với tạp chất boron dopant, chiếm hai phân mạng graphene, như được biểu thị bằng các cấu trúc xếp chồng.
Lớp phủ CO của kim hiển vi giúp tiết lộ cấu trúc hình học của tấm borophene (2E), điều này là không thể nếu kim là loại tiêu chuẩn (kim loại) không có lớp phủ CO.
Hình ảnh số 3
Sự hình thành các giao diện dị vòng giữa borophene và graphene (3А) sẽ xảy ra khi borophene phát triển bên cạnh các miền graphene đã chứa boron.
Các nhà khoa học nhắc nhở rằng các giao diện dị vòng bên dựa trên graphene-hBN (graphene + boron nitride) có tính nhất quán của mạng và các liên kết dị thể dựa trên dichalcogenide kim loại chuyển tiếp có tính nhất quán đối xứng. Trong trường hợp graphene/borophene, tình huống hơi khác một chút - chúng có sự tương đồng về cấu trúc tối thiểu về hằng số mạng hoặc tính đối xứng tinh thể. Tuy nhiên, bất chấp điều này, giao diện dị vòng graphene/borophene bên thể hiện tính nhất quán nguyên tử gần như hoàn hảo, với các hướng hàng boron (hàng B) thẳng hàng với các hướng zigzag (ZZ) của graphene (3А). Trên 3V hình ảnh phóng to của vùng ZZ của giao diện dị thể được hiển thị (các đường màu xanh biểu thị các phần tử giao diện tương ứng với liên kết cộng hóa trị boron-carbon).
Do borophene phát triển ở nhiệt độ thấp hơn so với graphene, nên các cạnh của miền graphene khó có thể có độ linh động cao khi hình thành giao diện dị thể với borophene. Do đó, giao diện dị thể gần như chính xác về mặt nguyên tử có thể là kết quả của các cấu hình và đặc điểm khác nhau của liên kết boron nhiều vị trí. Quang phổ quét đường hầm quét (3S) và độ dẫn đường hầm vi sai (3D) cho thấy quá trình chuyển đổi điện tử từ graphene sang borophene xảy ra trong khoảng cách ~ 5 Å mà không có trạng thái giao diện nhìn thấy được.
trên hình ảnh 3E Hiển thị là ba quang phổ quang phổ quét đường hầm được chụp dọc theo ba đường đứt nét ở dạng 3D, xác nhận rằng quá trình chuyển đổi điện tử ngắn này không nhạy cảm với các cấu trúc giao thoa cục bộ và có thể so sánh với quang phổ ở giao diện borophene-bạc.
Hình ảnh số 4
Graphene xen kẽ* trước đây cũng đã được nghiên cứu rộng rãi, nhưng việc chuyển đổi các chất xen kẽ thành các tấm 2D thực sự là tương đối hiếm.
Xen kẽ* - sự bao gồm thuận nghịch của một phân tử hoặc một nhóm phân tử giữa các phân tử hoặc nhóm phân tử khác.
Bán kính nguyên tử nhỏ của boron và tương tác yếu giữa graphene và Ag(111) cho thấy khả năng xen kẽ của graphene với boron. Trong hình ảnh 4А bằng chứng được đưa ra không chỉ về sự xen kẽ boron mà còn về sự hình thành các cấu trúc dị thể borophene-graphene thẳng đứng, đặc biệt là các miền tam giác được bao quanh bởi graphene. Mạng lưới tổ ong quan sát được trên miền tam giác này xác nhận sự hiện diện của graphene. Tuy nhiên, graphene này thể hiện mật độ trạng thái cục bộ thấp hơn ở mức -50 meV so với graphene xung quanh (4V). So với graphene trực tiếp trên Ag(111), không có bằng chứng nào về mật độ trạng thái cục bộ cao trong quang phổ dI/dV (4C, đường cong màu xanh), tương ứng với trạng thái bề mặt Ag(111), là bằng chứng đầu tiên về sự xen kẽ boron.
Ngoài ra, như mong đợi đối với sự xen kẽ một phần, mạng graphene vẫn liên tục trong suốt giao diện bên giữa graphene và vùng hình tam giác (4D - ứng với diện tích hình chữ nhật 4А, khoanh tròn ở đường chấm màu đỏ). Hình ảnh sử dụng CO trên kim hiển vi cũng xác nhận sự hiện diện của tạp chất thay thế boron (4E - ứng với diện tích hình chữ nhật 4А, được khoanh tròn trong đường chấm màu vàng).
Kim hiển vi không có lớp phủ cũng được sử dụng trong quá trình phân tích. Trong trường hợp này, dấu hiệu của các phần tử tuyến tính một chiều có chu kỳ 5 Å đã được tiết lộ trong các miền graphene xen kẽ (4F и 4G). Những cấu trúc một chiều này giống với các hàng boron trong mô hình borophene. Ngoài tập hợp các điểm tương ứng với graphene, phép biến đổi Fourier của ảnh thành 4G hiển thị một cặp điểm trực giao tương ứng với mạng hình chữ nhật 3 Å x 5 Å (4 giờ), phù hợp tuyệt vời với mô hình borophene. Ngoài ra, hướng ba quan sát được của mảng các phần tử tuyến tính (1E) rất phù hợp với cấu trúc chiếm ưu thế tương tự được quan sát thấy đối với các tấm borophene.
Tất cả những quan sát này cho thấy mạnh mẽ sự xen kẽ của graphene bởi borophene gần các cạnh của Ag, do đó dẫn đến sự hình thành các cấu trúc dị thể borophene-graphene thẳng đứng, có thể được nhận ra một cách thuận lợi bằng cách tăng độ che phủ ban đầu của graphene.
4I là một biểu diễn sơ đồ của một cấu trúc dị thể dọc trên 4H, trong đó hướng của hàng boron (mũi tên màu hồng) thẳng hàng với hướng ngoằn ngoèo của graphene (mũi tên đen), do đó tạo thành cấu trúc dị thể dọc tỷ lệ xoay.
Để làm quen chi tiết hơn với các sắc thái của nghiên cứu, tôi khuyên bạn nên xem и cho anh ta.
Phần kết
Nghiên cứu này cho thấy borophene có khả năng hình thành các cấu trúc dị thể ngang và dọc với graphene. Những hệ thống như vậy có thể được sử dụng để phát triển các loại phần tử hai chiều mới được sử dụng trong công nghệ nano, thiết bị điện tử linh hoạt và có thể đeo được, cũng như các loại chất bán dẫn mới.
Bản thân các nhà nghiên cứu tin rằng sự phát triển của họ có thể là cú hích mạnh mẽ cho các công nghệ liên quan đến điện tử. Tuy nhiên, vẫn khó có thể nói chắc chắn rằng lời nói của họ sẽ mang tính tiên tri. Hiện tại, vẫn còn rất nhiều điều phải nghiên cứu, tìm hiểu và phát minh để những ý tưởng khoa học viễn tưởng lấp đầy tâm trí các nhà khoa học trở thành hiện thực chính thức.
Cảm ơn các bạn đã quan tâm, hãy luôn tò mò và chúc mọi người một tuần tốt lành. 🙂
Cảm ơn bạn đã ở với chúng tôi. Bạn có thích bài viết của chúng tôi? Bạn muốn xem nội dung thú vị hơn? Hỗ trợ chúng tôi bằng cách đặt hàng hoặc giới thiệu cho bạn bè, Giảm giá 30% cho người dùng Habr trên một máy chủ tương tự duy nhất của máy chủ cấp đầu vào do chúng tôi phát minh ra dành cho bạn: (có sẵn với RAID1 và RAID10, tối đa 24 lõi và tối đa 40GB DDR4).
Dell R730xd rẻ gấp 2 lần? Chỉ ở đây ở Hà Lan! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - từ $99! Đọc về
Nguồn: www.habr.com