“突变是解开进化之谜的关键。 从最简单的有机体到优势生物物种的发展之路持续了数千年。 但每十万年，进化就会发生一次急剧的飞跃”（查尔斯·泽维尔，X战警，2000）。 如果我们抛掉漫画和电影中存在的所有科幻元素，那么X教授的话是完全正确的。 事物的发展大多数时候都是平稳进行的，但有时也会出现对整个过程产生巨大影响的跳跃。 这不仅适用于物种的进化，也适用于技术的进化，其主要驱动力是人及其研究和发明。 今天我们将了解一项研究，根据其作者的说法，这是纳米技术真正的进化飞跃。 美国西北大学的科学家是如何创造出一种新的二维异质结构的，为什么选择石墨烯和硼烯作为基础，以及这样的系统可能具有什么特性？ 研究小组的报告将告诉我们这一点。 去。
研究基础
我们多次听说过“石墨烯”这个词；它是碳的二维改性体，由一层 1 个原子厚的碳原子组成。 但“borofen”极为罕见。 该术语是指仅由硼 (B) 原子组成的二维晶体。 硼烯存在的可能性早在上世纪 90 年代中期就被首次预测，但实际上这种结构直到 2015 年才得到。
硼烯的原子结构由三角形和六角形元素组成，是二中心和多中心面内键之间相互作用的结果，这对于包括硼在内的缺电子元素来说非常典型。
*我们所说的二中心键和多中心键是指化学键——原子的相互作用，表征分子或晶体作为单一结构的稳定性。 例如，当2个原子共享2个电子时，会发生二中心二电子键；当2个原子和3个电子时，会发生二中心三电子键，等等。
从物理角度来看，硼烯可能比石墨烯更坚固、更柔韧。 人们还认为，硼烯结构可以成为电池的有效补充，因为硼烯具有高比容量和独特的电子导电性和离子传输特性。 然而，目前这只是一个理论。
存在 三价元素*, 硼至少有 10 同素异形体*。 二维形式类似 多态性* 也被观察到。
三价元素* 能够形成三个共价键，其化合价为三。
同素异形体* - 当一种化学元素可以以两种或多种简单物质的形式存在时。 例如，碳——金刚石、石墨烯、石墨、碳纳米管等。
多态性* - 物质以不同晶体结构存在的能力（多晶型修饰）。 就简单物质而言，该术语与同素异形性同义。
鉴于这种广泛的多态性，表明硼烯可能是创建新的二维异质结构的绝佳候选者，因为不同的硼键构型应该放宽晶格匹配要求。 不幸的是，由于合成困难，这个问题以前只在理论层面上进行研究。
对于从块状层状晶体获得的传统二维材料，可以使用机械堆叠来实现垂直异质结构。 另一方面，二维横向异质结构基于自下而上的合成。 原子精确的横向异质结构在解决异质结功能控制问题方面具有巨大潜力，然而，由于共价键合，不完美的晶格匹配通常会导致宽且无序的界面。 因此，潜力是有的，但实现起来也存在问题。
在这项工作中，研究人员成功地将硼烯和石墨烯整合成一个二维异质结构。 尽管硼烯和石墨烯之间存在晶格失配和对称性，但在超高真空 (UHV) 下将碳和硼顺序沉积到 Ag(111) 基底上会产生几乎原子级精确的横向异质界面（具有预测的晶格排列）以及垂直异质界面。
准备研究
在研究异质结构之前，必须先制造它。 石墨烯和硼烯的生长是在压力为1x10-10毫巴的超高真空室中进行的。
通过Ar+溅射（111 x 1-10毫巴，5 eV，800分钟）和热退火（30°C，550分钟）的重复循环清洁单晶Ag（45）基板，以获得原子级清洁且平坦的Ag（ 111) 表面。
石墨烯通过电子束蒸发将直径为 99,997 mm 的纯 (2.0%) 石墨棒生长到 Ag (750) 基板上，加热电流为 ~ 111 A，加速电压为 ~ 1.6 kV，加热至 2 °C ，其发射电流约为 70 mA，碳通量约为 40 nA。 室内压力为 1 x 10-9 毫巴。
硼烯是通过将纯（99,9999%）硼棒电子束蒸发到加热至 400-500 °C 的 Ag（111）上的亚单层石墨烯上而生长的。 灯丝电流约为 1.5 A，加速电压为 1.75 kV，发射电流约为 34 mA，硼通量约为 10 nA。 硼烯生长过程中腔室中的压力约为 2 x 10-10 毫巴。
研究结果
图片#1
在图像上 1А 显示 扫描隧道显微镜* 生长的石墨烯的快照，其中石墨烯域使用地图可以最好地可视化 dI/dV (1V）哪里 I и V 是隧道电流和样品位移，以及 d - 密度。
扫描隧道显微镜* — 扫描隧道显微镜。
dI/dV 与 Ag(111) 基板相比，样品图使我们能够看到石墨烯具有更高的局域密度。 根据之前的研究，Ag（111）的表面态具有阶跃特征，通过 dI/dV 石墨烯的光谱（1S），这解释了石墨烯上较高的局域密度 1V 0.3 eV。
在图像上 1D 我们可以看到单层石墨烯的结构，其中蜂窝晶格和 云纹上部结构*.
上层建筑* - 结晶化合物结构的一个特征，它以一定的间隔重复，从而产生具有不同交替周期的新结构。
莫尔条纹* - 两个周期性网格图案彼此叠加。
在较低温度下，生长会导致枝晶和有缺陷的石墨烯域的形成。 由于石墨烯和下面的基底之间的弱相互作用，石墨烯相对于下面的Ag(111)的旋转排列不是唯一的。
硼沉积后，扫描隧道显微镜（1E）表明存在硼烯和石墨烯域的组合。 图像中还可以看到石墨烯内部的区域，这些区域后来被鉴定为插有硼烯的石墨烯（图像中所示） 组/B）。 沿三个方向定向并以 120° 角分隔的线性元素在此区域中也清晰可见（黄色箭头）。
图片#2
照片开启 2А，以及 1E，确认硼沉积后石墨烯中局部暗凹陷的出现。
为了更好地检查这些构造并找出它们的起源，我们在同一区域拍摄了另一张照片，但使用了地图|dlnI/dz| (2B)，其中 I — 隧道电流， d 是密度，并且 z — 探针-样品分离（显微镜针和样品之间的间隙）。 该技术的使用使得获得高空间分辨率的图像成为可能。 为此，您还可以在显微镜针上使用 CO 或 H2。
Изображение 2S 是使用尖端涂有 CO 的 STM 获得的图像。 图像比较 А, В и С 表明所有原子元素都被定义为三个相邻的明亮六边形，指向两个不同的方向（照片中的红色和黄色三角形）。
该区域的放大图像（2D）证实这些元素与占据两个石墨烯亚晶格的硼掺杂剂杂质一致，如叠加结构所示。
显微镜针的 CO 涂层使得揭示硼烯片的几何结构成为可能（2E），如果针是没有 CO 涂层的标准针（金属），这是不可能的。
图片#3
硼烯和石墨烯之间横向异质界面的形成（3А当硼烯生长在已经含有硼的石墨烯域旁边时，应该会发生。
科学家提醒，基于石墨烯-六方氮化硼（石墨烯+氮化硼）的横向异质界面具有晶格一致性，基于过渡金属二硫属化物的异质结具有对称一致性。 就石墨烯/硼烯而言，情况略有不同——它们在晶格常数或晶体对称性方面具有最小的结构相似性。 然而，尽管如此，横向石墨烯/硼烯异质界面表现出几乎完美的原子一致性，硼行（B行）方向与石墨烯的之字形（ZZ）方向对齐（3А）。 在 3V 显示了异质界面 ZZ 区域的放大图像（蓝线表示对应于硼-碳共价键的界面元素）。
由于与石墨烯相比，硼烯的生长温度较低，因此当与硼烯形成异质界面时，石墨烯域的边缘不太可能具有高迁移率。 因此，近乎原子级精确的异质界面可能是多位点硼键不同构型和特征的结果。 扫描隧道光谱光谱（3S）和微分隧道电导率（3D）表明从石墨烯到硼烯的电子跃迁发生在约 5 Å 的距离内，没有可见的界面态。
在图像上 3E 显示的是沿 3D 中的三条虚线拍摄的三个扫描隧道光谱，证实这种短电子跃迁对局部界面结构不敏感，并且与硼烯-银界面处的电子跃迁相当。
图片#4
石墨烯 插层* 此前也已被广泛研究，但将插层剂转化为真正的二维片材相对较少。
插层* -一个分子或分子基团可逆地包含在其他分子或分子基团之间。
硼的小原子半径以及石墨烯和Ag(111)之间的弱相互作用表明石墨烯可能与硼插层。 在图像中 4А 不仅有硼插层的证据，而且还有垂直硼烯-石墨烯异质结构形成的证据，特别是被石墨烯包围的三角形区域。 在这个三角形域上观察到的蜂窝晶格证实了石墨烯的存在。 然而，与周围的石墨烯相比，这种石墨烯在 -50 meV 时表现出较低的局域密度（4V）。 与直接在 Ag(111) 上的石墨烯相比，没有证据表明光谱中具有高局域态密度 dI/dV (4C，蓝色曲线），对应于Ag（111）表面状态，是硼嵌入的第一个证据。
此外，正如部分插层所预期的那样，石墨烯晶格在石墨烯和三角形区域之间的整个横向界面上保持连续（4D - 对应于上的矩形区域 4А，用红色虚线圈出）。 在显微镜针上使用 CO 拍摄的图像也证实了硼取代杂质的存在（4E - 对应于上的矩形区域 4А，以黄色虚线圈出）。
分析过程中还使用了没有任何涂层的显微镜针。 在这种情况下，在插层石墨烯域中揭示了周期性为 5 Å 的一维线性元素的迹象（4F и 4G）。 这些一维结构类似于硼烯模型中的硼行。 除了对应于石墨烯的点集之外，图像的傅立叶变换为 4G 显示对应于 3 Å x 5 Å 矩形晶格的一对正交点（4N），这与硼烯模型非常吻合。 此外，观察到的线性元件阵列的三重方向（1E）与硼烯片观察到的相同主要结构非常吻合。
所有这些观察结果强烈表明，硼烯在银边缘附近插入了石墨烯，从而导致了垂直硼烯-石墨烯异质结构的形成，这可以通过增加石墨烯的初始覆盖率来有利地实现。
4I 是垂直异质结构的示意图 4H，其中硼行的方向（粉色箭头）与石墨烯的锯齿形方向（黑色箭头）紧密对齐，从而形成旋转比例的垂直异质结构。
为了更详细地了解这项研究的细微差别，我建议查看 и 对他
结语
这项研究表明，硼烯非常有能力与石墨烯形成横向和垂直异质结构。 此类系统可用于开发纳米技术中使用的新型二维元件、柔性和可穿戴电子产品以及新型半导体。
研究人员自己相信，他们的发展可能会有力地推动电子相关技术的发展。 然而，仍然很难确定他们的话会成为预言。 目前，还有很多东西有待研究、理解和发明，以使那些充满科学家头脑的科幻想法成为成熟的现实。
感谢您的阅读，保持好奇心，祝大家度过愉快的一周。 🙂
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来源： habr.com