「突變是解開演化之謎的關鍵。 從最簡單的有機體到優勢生物物種的發展之路持續了數千年。 但每十萬年，進化就會發生一次急劇的飛躍」（查爾斯·澤維爾，X戰警，2000）。 如果我們拋掉漫畫和電影中存在的所有科幻元素，那麼X教授的話是完全正確的。 事物的發展大多時候都是平穩進行的，但有時也會出現對整個過程產生巨大影響的跳躍。 這不僅適用於物種的演化，也適用於科技的演化，其主要驅動力是人類及其研究和發明。 今天我們將了解一項研究，根據其作者的說法，這是奈米技術真正的進化飛躍。 美國西北大學的科學家是如何創造出一種新的二維異質結構的，為什麼選擇石墨烯和硼烯作為基礎，以及這樣的系統可能具有什麼特性？ 研究小組的報告將告訴我們這一點。 去。
研究基礎
我們多次聽過「石墨烯」這個詞；它是碳的二維改質體，由一層 1 個原子厚的碳原子組成。 但「borofen」極為罕見。 此術語是指僅由硼 (B) 原子組成的二維晶體。 硼烯存在的可能性早在 90 年代中期就被首次預測，但實際上這種結構直到 2015 年才得到。
硼烯的原子結構由三角形和六角形元素組成，是二中心和多中心面內鍵之間相互作用的結果，這對於包括硼在內的缺電子元素來說非常典型。
*Под двухцентровыми и многоцентровыми связями подразумеваются химические связи — взаимодействия атомов, характеризующие устойчивость молекулы или кристалла как единой структуры. 例如，當2個原子共享2個電子時，就會發生兩中性的兩電子鍵，而當2個原子和3個電子等時，就會發生兩中心三電子鍵。
從物理角度來看，硼烯可能比石墨烯更堅固、更柔韌。 人們也認為，硼烯結構可以成為電池的有效補充，因為硼烯具有高比容量和獨特的電子導電性和離子傳輸特性。 然而，目前這只是一個理論。
存在 三價元素*, 硼至少有 10 同素異形體*。 二維形式類似 多態性* 也被觀察到。
三價元素* 能夠形成三個共價鍵，其化合價為三。
同素異形體* - 當一種化學元素可以以兩種或多種簡單物質的形式存在時。 例如，碳——鑽石、石墨烯、石墨、碳奈米管等。
多態性* - 物質以不同晶體結構存在的能力（多晶型修飾）。 就簡單物質而言，該術語與同素異形性同義。
鑑於這種廣泛的多態性，表明硼烯可能是創建新的二維異質結構的絕佳候選者，因為不同的硼鍵構型應該放寬晶格匹配要求。 不幸的是，由於合成困難，這個問題以前只在理論層面上進行研究。
對於從塊狀層狀晶體獲得的傳統二維材料，可以使用機械堆疊來實現垂直異質結構。 另一方面，二維橫向異質結構是基於自下而上的合成。 原子精確的橫向異質結構在解決異質結功能控制問題方面具有巨大潛力，然而，由於共價鍵合，不完美的晶格匹配通常會導致寬且無序的界面。 因此，潛力是有的，但實現起來也存在問題。
在這項工作中，研究人員成功地將硼烯和石墨烯整合成一個二維異質結構。 儘管硼烯和石墨烯之間存在晶格失配和對稱性，但在超高真空(UHV) 下將碳和硼順序沉積到Ag(111) 基底上會產生幾乎原子級精確的橫向異質界面（具有預測的晶格排列）以及垂直異質界面。
準備學習
在研究異質結構之前，必須先製造它。 石墨烯和硼烯的生長是在壓力為1x10-10毫巴的超高真空室中進行的。
透過Ar+濺鍍（111 x 1-10毫巴，5 eV，800分鐘）和熱退火（30°C，550分鐘）的重複循環清潔單晶Ag（45）基板，以獲得原子級清潔且平坦的Ag（ 111) 表面。
石墨烯透過電子束蒸發將直徑為 99,997 mm 的純 (2.0%) 石墨棒生長到 Ag (750) 基板上，加熱電流為 ~ 111 A，加速電壓為 ~ 1.6 kV，加熱至 2 °C ，其發射電流約70 mA，碳通量約40 nA。 室內壓力為 1 x 10-9 毫巴。
硼烯是將純（99,9999%）硼棒電子束蒸發到加熱至 400-500 °C 的 Ag（111）上的亞單層石墨烯上而生長的。 燈絲電流約 1.5 A，加速電壓為 1.75 kV，發射電流約 34 mA，硼通量約 10 nA。 硼烯生長過程中腔室的壓力約為 2 x 10-10 毫巴。
研究結果
圖片#1
在圖像上 1А 顯示 掃描穿隧顯微鏡* 生長的石墨烯的快照，其中石墨烯域使用地圖可以最好地可視化 dI/dV (1V）， 在哪裡 I и V 是穿隧電流和樣品位移，以及 d - 密度。
掃描穿隧顯微鏡* — 掃描穿隧顯微鏡。
dI/dV 與 Ag(111) 基板相比，樣品圖使我們能夠看到石墨烯具有更高的局域密度。 根據先前的研究，Ag（111）的表面態具有階躍特徵，透過 dI/dV 石墨烯的光譜（1S），這解釋了石墨烯上較高的局域密度 1V 0.3 eV。
在圖像上 1D 我們可以看到單層石墨烯的結構，其中蜂窩晶格和 雲紋上部結構*.
上層建築* - 結晶化合物結構的一個特徵，它以一定的間隔重複，從而產生具有不同交替週期的新結構。
莫爾條紋* - 兩個週期性網格圖案彼此疊加。
在較低溫度下，生長會導致枝晶和有缺陷的石墨烯域的形成。 由於石墨烯和下面的基底之間的弱相互作用，石墨烯相對於下面的Ag(111)的旋轉排列不是唯一的。
硼沉積後，掃描穿隧顯微鏡（1E）顯示存在硼烯和石墨烯域的組合。 影像中還可以看到石墨烯內部的區域，這些區域後來被鑑定為插有硼烯的石墨烯（圖像中所示） 組/B）。 沿著三個方向定向並以 120° 角分隔的線性元素在此區域中也清晰可見（黃色箭頭）。
圖片#2
照片開啟 2А，以及 1E，確認硼沉積後石墨烯中局部暗凹陷的出現。
為了更好地檢查這些構造並找出它們的起源，我們在同一區域拍攝了另一張照片，但使用了地圖|dlnI/dz| (2B)，其中 I — 隧道電流， d 是密度，並且 z — 探針-樣品分離（顯微鏡針和樣品之間的間隙）。 該技術的使用使得獲得高空間解析度的影像成為可能。 為此，您也可以在顯微鏡針上使用 CO 或 H2。
Изображение 2S 是使用尖端塗有 CO 的 STM 所獲得的影像。 影像比較 А, В и С 顯示所有原子元素都被定義為三個相鄰的明亮六邊形，指向兩個不同的方向（照片中的紅色和黃色三角形）。
該區域的放大影像（2D）證實這些元素與佔據兩個石墨烯亞晶格的硼摻雜劑雜質一致，如疊加結構所示。
顯微鏡針的 CO 塗層使得揭示硼烯片的幾何結構成為可能（2E），如果針是沒有 CO 塗層的標準針（金屬），這是不可能的。
圖片#3
硼烯和石墨烯之間橫向異質界面的形成（3А當硼烯生長在已經含有硼的石墨烯域旁邊時，應該會發生。
科學家提醒，基於石墨烯-六方氮化硼（石墨烯+氮化硼）的橫向異質界面具有晶格一致性，基於過渡金屬二硫屬化物的異質接面具有對稱一致性。 就石墨烯/硼烯而言，情況略有不同——它們在晶格常數或晶體對稱性方面具有最小的結構相似性。 然而，儘管如此，橫向石墨烯/硼烯異質界面表現出幾乎完美的原子一致性，硼行（B行）方向與石墨烯的之字形（ZZ）方向對齊（3А）。 在 3V 顯示了異質界面 ZZ 區域的放大圖像（藍線表示對應於硼-碳共價鍵的界面元素）。
由於與石墨烯相比，硼烯的生長溫度較低，因此當與硼烯形成異質界面時，石墨烯域的邊緣不太可能具有高遷移率。 因此，近乎原子級精確的異質界面可能是多位點硼鍵不同構型和特徵的結果。 掃描穿隧光譜光譜（3S）和微分隧道電導率（3D）顯示從石墨烯到硼烯的電子躍遷發生在約 5 Å 的距離內，沒有可見的界面態。
在圖像上 3E 顯示的是沿著 3D 中的三個虛線拍攝的三個掃描穿隧光譜，證實這種短電子躍遷對局部界面結構不敏感，並且與硼烯-銀界面處的電子躍遷相當。
圖片#4
石墨烯 插層* 先前也已被廣泛研究，但將插層劑轉化為真正的二維片材相對較少。
插層* -一個分子或分子基團可逆地包含在其他分子或分子基團之間。
硼的小原子半徑以及石墨烯和Ag(111)之間的弱相互作用表明石墨烯可能與硼插層。 在影像中 4А 不僅有硼插層的證據，還有垂直硼烯-石墨烯異質結構形成的證據，特別是被石墨烯包圍的三角形區域。 在這個三角形域上觀察到的蜂巢晶格證實了石墨烯的存在。 然而，與周圍的石墨烯相比，這種石墨烯在 -50 meV 時表現出較低的局域密度（4V）。 與直接在 Ag(111) 上的石墨烯相比，沒有證據表明光譜中具有高局域態密度 dI/dV (4C，藍色曲線），對應於Ag（111）表面狀態，是硼嵌入的第一個證據。
此外，正如部分插層所預期的那樣，石墨烯晶格在石墨烯和三角形區域之間的整個橫向界面上保持連續（4D - 對應於上的矩形區域 4А，用紅色虛擬線圈出）。 在顯微鏡針上使用 CO 拍攝的影像也證實了硼取代雜質的存在（4E - 對應於上的矩形區域 4А，以黃色虛線圈出）。
分析過程中也使用了沒有任何塗層的顯微鏡針。 在這種情況下，在插層石墨烯域中揭示了週期性為 5 Å 的一維線性元素的跡象（4F и 4G）。 這些一維結構類似硼烯模型中的硼行。 除了對應於石墨烯的點集之外，影像的傅立葉變換為 4G 顯示對應於 3 Å x 5 Å 矩形晶格的一對正交點（4小時），這與硼烯模型非常吻合。 此外，觀察到的線性元件陣列的三重方向（1E）與硼烯片觀察到的相同主要結構非常吻合。
所有這些觀察結果強烈表明石墨烯在銀邊緣附近被硼烯插層，從而導致垂直硼烯-石墨烯異質結構的形成，這可以透過增加石墨烯的初始覆蓋率來有利地實現。
4I 是垂直異質結構的示意圖 4H，其中硼行的方向（粉紅色箭頭）與石墨烯的鋸齒形方向（黑色箭頭）緊密對齊，從而形成旋轉比例的垂直異質結構。
為了更詳細地了解這項研究的細微差別，我建議看看 и 給他。
尾聲
這項研究表明，硼烯非常有能力與石墨烯形成橫向和垂直異質結構。 此類系統可用於開發奈米技術中使用的新型二維元件、柔性和穿戴式電子產品以及新型半導體。
研究人員自己相信，他們的發展可能有力地推動電子相關技術的發展。 然而，仍然很難確定他們的話會成為預言。 目前，還有很多東西有待研究、理解和發明，以使那些充滿科學家頭腦的科幻想法成為成熟的現實。
感謝您的閱讀，保持好奇心，祝大家有個愉快的一週。 🙂
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來源： www.habr.com