Dúo bidimensional: creación de heteroestructuras de borofeno-grafeno

“La mutación es la clave para desentrañar los misterios de la evolución. El camino de desarrollo desde el organismo más simple hasta las especies biológicas dominantes ha estado sucediendo durante milenios. Pero cada cien mil años en evolución, hay un salto brusco hacia adelante ”(Charles Xavier, X-Men, 2000). Si descartamos todos los elementos de ciencia ficción que están presentes en los cómics y las películas, entonces las palabras del Profesor X son bastante ciertas. El desarrollo de algo se desarrolla de manera uniforme la mayor parte del tiempo, pero a veces ocurren saltos que tienen un gran impacto en todo el proceso. Esto se aplica no solo a la evolución de las especies, sino también a la evolución de la tecnología, cuyo motor principal son las personas, sus investigaciones e inventos. Hoy nos reuniremos con usted en un estudio que, según sus autores, es un verdadero salto evolutivo en nanotecnología. ¿Cómo lograron los científicos de la Universidad Northwestern (EE. UU.) Crear una nueva heteroestructura bidimensional, por qué se eligió el grafeno y el borofeno como base y qué propiedades puede tener un sistema de este tipo? El informe del grupo de investigación nos contará sobre esto. Vamos

Base de estudio

El término "grafeno" lo hemos escuchado muchas veces: esta es una modificación bidimensional del carbono, que consiste en una capa de átomos de carbono con un espesor de 1 átomo. Pero Borofen es extremadamente raro. Este término se refiere a un cristal bidimensional que consiste únicamente en átomos de boro (B). Por primera vez, la posibilidad de la existencia de borofeno se predijo a mediados de los 90, pero en la práctica, esta estructura se obtuvo solo en 2015.

La estructura atómica del borofeno consiste en elementos triangulares y hexagonales y es una consecuencia de la interacción entre enlaces intraplanes de dos centros y multicéntricos, lo cual es muy característico de los elementos con una deficiencia de electrones, que incluye el boro.

* Por enlaces de dos centros y multicéntricos nos referimos a enlaces químicos: interacciones de átomos que caracterizan la estabilidad de una molécula o cristal como una estructura única. Por ejemplo, un enlace de dos electrones y dos centros ocurre cuando 2 átomos dividen 2 electrones entre ellos, y un enlace de tres electrones y dos centros: 2 átomos y 3 electrones, etc.

Desde un punto de vista físico, el borofeno puede ser más duradero y flexible que el grafeno. También se cree que las estructuras de borofeno pueden ser una adición efectiva a las baterías, ya que el borofeno tiene una alta capacidad específica y propiedades únicas de conductividad electrónica y transferencia de iones. Sin embargo, por el momento esto es solo una teoría.

Al ser un elemento trivalente * , el boro tiene al menos 10 alótropos * . En una forma bidimensional, también se observa un polimorfismo * similar.

El elemento trivalente * es capaz de formar tres enlaces covalentes, cuya valencia es tres.

Alotropía * : cuando un elemento químico se puede representar como dos o más sustancias simples. Como ejemplo, el carbono es diamante, grafeno, grafito, nanotubos de carbono, etc.

Polimorfismo * : la capacidad de una sustancia para existir en diferentes estructuras cristalinas (modificaciones polimórficas). En el caso de sustancias simples, este término es sinónimo de alotropía.

Dado un polimorfismo tan amplio, se asume que el borofeno puede ser un excelente candidato para crear nuevas heteroestructuras bidimensionales, ya que las diferentes configuraciones de enlaces de boro deberían debilitar los requisitos para hacer coincidir la red cristalina. Desafortunadamente, antes esta pregunta se estudió exclusivamente a nivel teórico debido a dificultades en la síntesis.

Para materiales 2D convencionales obtenidos a partir de cristales en capas a granel, las heteroestructuras verticales se pueden realizar utilizando un diseño mecánico. Por otro lado, las heteroestructuras laterales bidimensionales se basan en síntesis ascendente. Las heteroestructuras laterales atómicamente precisas tienen un gran potencial para resolver problemas con el control de la funcionalidad de una heterounión, sin embargo, debido a la unión covalente, la coincidencia de red imperfecta generalmente conduce a interfaces anchas y desordenadas. Por lo tanto, hay potencial, pero también hay problemas en su implementación.

En este trabajo, los investigadores pudieron integrar borofeno y grafeno en una heteroestructura bidimensional. A pesar de la falta de coincidencia entre las redes cristalográficas y la simetría entre el borofeno y el grafeno, la deposición secuencial de carbono y boro en un sustrato Ag (111) en ultra alto vacío (UHV) conduce a heterointerfaces laterales casi atómicamente precisas con alineamientos de red pronosticados, así como heterointerfaces verticales.

Preparación del estudio

Antes de estudiar la heteroestructura, era necesario fabricarla. El crecimiento de grafeno y borofeno se llevó a cabo en una cámara de ultra alto vacío con una presión de 1x10 ^-10 mbar.

El sustrato de cristal único Ag (111) se purificó mediante ciclos repetidos de pulverización de Ar ⁺ (1 x 10 ^-5 mbar, energía 800 eV, 30 minutos) y recocido térmico (550 ° C, 45 minutos) para obtener una superficie de Ag atómicamente limpia y plana (111 )

El grafeno se cultivó por evaporación por haz de electrones de una varilla de grafito puro (99.997%) de 2.0 mm de diámetro sobre un sustrato de Ag (111) calentado a 750 ° a una corriente de filamento de ~ 1.6 A y un voltaje de aceleración de ~ 2 kV, lo que da una corriente de emisión de ~ 70 mA y un flujo de carbono de ~ 40 nA. La presión en la cámara era de 1 x 10 ^-9 mbar.

El borofeno se cultivó mediante evaporación por haz de electrones de una barra de boro limpia (99,9999%) sobre un grafeno de submonolayer calentado a 400-500 ° C en Ag (111). La corriente de incandescencia fue de ~ 1.5 A, y el voltaje de aceleración fue de 1.75 kV, lo que da una corriente de emisión de ~ 34 mA y un flujo de boro de ~ 10 nA. La presión en la cámara durante el cultivo de borofeno fue de aproximadamente 2 x ^10-10 mbar.

Resultados de la investigación

Imagen No. 1

La imagen 1A muestra una instantánea STM * del grafeno crecido, donde los dominios de grafeno se visualizan mejor utilizando el mapa dI / dV ( 1B ), donde I y V son la corriente de túnel y el desplazamiento de la muestra, y d es la densidad.

STM * : microscopio de túnel de exploración.

Los mapas dI / dV de la muestra hicieron posible ver una mayor densidad local de estados de grafeno en comparación con el sustrato Ag (111). De acuerdo con estudios previos, el estado superficial de Ag (111) tiene una característica escalonada desplazada hacia energías positivas en el espectro dI / dV de grafeno ( 1C ), lo que explica la mayor densidad local de estados de grafeno en 1 V a 0.3 eV.

En la imagen 1D , podemos ver la estructura del grafeno de una sola capa, donde la red de panal y la superestructura de muaré * son claramente visibles * .

La superestructura * es una característica estructural de un compuesto cristalino que se repite a cierto intervalo y, por lo tanto, crea una nueva estructura con un período de alternancia diferente.

Moire * : superposición de dos patrones de malla periódicos entre sí.

A temperaturas más bajas, el crecimiento conduce a la formación de dominios de grafeno dendríticos y defectuosos. Debido a las débiles interacciones entre el grafeno y el sustrato subyacente, la alineación rotacional del grafeno con respecto al Ag subyacente (111) no es única.

Después de la deposición de boro, la microscopía de túnel de barrido ( 1E ) mostró la presencia de un compuesto de dominios de borofeno y grafeno. También son visibles en la imagen las áreas dentro del grafeno, que luego se identificaron como grafeno intercalado con borofeno (indicado en la imagen Gr / B ). En esta área, los elementos lineales también son claramente visibles, orientados en tres direcciones y separados por un ángulo de 120 ° (flechas amarillas).


Imagen No. 2

La imagen en 2A , como 1E , confirma la aparición de depresiones oscuras localizadas (depresiones) en el grafeno después de la deposición de boro.

Para examinar mejor estas formaciones y descubrir su origen, se tomó otra foto de la misma área, pero con el uso de mapas | dln I / dz | (2B), donde I es la corriente de tunelización, d es la densidad y z es la separación de la muestra de la sonda (el espacio entre la aguja del microscopio y la muestra). La aplicación de esta técnica permite obtener imágenes con alta resolución espacial. También puede usar CO o H ₂ en la aguja de un microscopio.

La imagen 2C es una imagen CTM cuya aguja estaba recubierta con CO. La comparación de las imágenes A , B y C muestra que todos los elementos atómicos se definen como tres hexágonos brillantes adyacentes dirigidos en dos direcciones no equivalentes (triángulos rojo y amarillo en las imágenes).

Las imágenes ampliadas de esta región ( 2D ) confirman que estos elementos están de acuerdo con los dopantes de boro, ocupando dos subredes de grafeno, como lo indican las estructuras superpuestas.

El recubrimiento de CO de la aguja del microscopio permitió revelar la estructura geométrica de la lámina de borofeno ( 2E ), lo que no hubiera sido posible si la aguja fuera estándar (metal) sin recubrimiento de CO.


Imagen No. 3

La formación de heterointerfaces laterales entre borofeno y grafeno ( 3A ) debe ocurrir cuando el borofeno crece cerca de dominios de grafeno en los que el boro ya está presente.

Los científicos recuerdan que las heterointerfaces laterales basadas en grafeno-hBN (grafeno + nitruro de boro) tienen un enrejado, y las heterouniones basadas en dichoslcogenuros de metales de transición tienen una simetría. En el caso del grafeno / borofeno, la situación es ligeramente diferente: tienen una similitud estructural mínima en términos de constantes de red o simetría de cristal. Sin embargo, a pesar de esto, la heterointerfaz lateral de grafeno / borofeno muestra una consistencia atómica casi perfecta, con las direcciones de la fila de boro (fila B) alineadas con las direcciones en zigzag (ZZ) del grafeno ( 3A ). La Figura 3B muestra una imagen ampliada de la región ZZ de la heterointerfaz (los elementos interfaciales correspondientes a los enlaces covalentes de boro-carbono se indican mediante líneas azules).

Dado que el crecimiento de borofeno ocurre a una temperatura más baja en comparación con el grafeno, es improbable que los bordes del dominio de grafeno tengan una alta movilidad durante la formación de una interfaz hetero con borofeno. Por lo tanto, una heterointerfaz casi atómicamente precisa es probablemente el resultado de varias configuraciones y características de enlaces de boro multicéntricos. Los espectros de la espectroscopía de túnel de exploración ( 3C ) y la conductividad de túnel diferencial ( 3D ) muestran que la transición electrónica del grafeno al borofeno ocurre a una distancia de ~ 5 Å sin estados de interfaz visibles.

La imagen 3E muestra tres espectros de espectroscopía de túnel de exploración tomados a lo largo de tres líneas discontinuas en 3D, que confirman que esta breve transición electrónica es insensible a las estructuras interfaciales locales y comparable a la de las interfaces de borofen-silver.


Imagen No. 4

La intercalación de grafeno * también se ha estudiado ampliamente anteriormente, pero la conversión de intercalantes en verdaderas láminas 2D es relativamente rara.

Intercalación * : la inclusión reversible de una molécula o grupo de moléculas entre otras moléculas o grupos de moléculas.

El pequeño radio atómico del boro y la débil interacción entre el grafeno y el Ag (111) sugieren una posible intercalación de grafeno con boro. La Figura 4A proporciona evidencia no solo de la intercalación de boro, sino también de la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, especialmente dominios triangulares rodeados de grafeno. El enrejado de panal observado en este dominio triangular confirma la presencia de grafeno. Sin embargo, este grafeno exhibe una menor densidad local de estados a -50 meV en comparación con el grafeno circundante ( 4V ). En comparación con el grafeno directamente en Ag (111), la ausencia de signos de una alta densidad local de estados en el espectro dI / dV ( 4C , curva azul) correspondiente al estado superficial de Ag (111) es la primera evidencia de intercalación de boro.

Además, como se esperaba para la intercalación parcial, la red de grafeno permanece continua a lo largo de toda la interfaz lateral entre el grafeno y la región triangular ( 4D - corresponde a la región rectangular en 4A , en un círculo en línea roja punteada). Una imagen usando CO en una aguja de microscopio también confirmó la presencia de impurezas de sustitución de boro ( 4E - corresponde a una región rectangular de 4A rodeada por una línea punteada amarilla).

También se usaron agujas de microscopio sin recubrimiento durante el análisis. En este caso, se revelaron signos de elementos lineales unidimensionales con una frecuencia de 5 Å ( 4F y 4G ) en dominios de grafeno intercalados. Estas estructuras unidimensionales se asemejan a las filas de boro en el modelo de borofeno. Además del conjunto de puntos correspondientes al grafeno, la transformación de Fourier de la imagen en 4G muestra un par de puntos ortogonales correspondientes a una red rectangular de 3 Å x 5 Å ( 4H ), que está en excelente acuerdo con el modelo de borofeno. Además, la triple orientación observada de la red de elementos lineales ( 1E ) está en buen acuerdo con la misma estructura prevaleciente observada para las láminas de borofeno.

Todas estas observaciones indican de manera convincente la intercalación de grafeno con borofeno cerca de los bordes de Ag, lo que conduce a la formación de heteroestructuras verticales de borofeno-grafeno, que pueden realizarse predominantemente al aumentar el recubrimiento inicial de grafeno.

4I es una representación esquemática de una heteroestructura vertical 4H , donde la dirección de una serie de boro (flecha rosa) está estrechamente alineada con la dirección en zigzag del grafeno (flecha negra), formando así una heteroestructura vertical rotacionalmente proporcional.

Para conocer más detalladamente los matices del estudio, le recomiendo que examine el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

Este estudio demostró que el borofeno es bastante capaz de formar heteroestructuras laterales y verticales con grafeno. Dichos sistemas pueden usarse en el desarrollo de nuevos tipos de elementos bidimensionales utilizados en nanotecnología, electrónica flexible y portátil, así como en nuevos tipos de semiconductores.

Los propios investigadores creen que su desarrollo puede ser un poderoso impulso para la tecnología relacionada con la electrónica. Sin embargo, es difícil decir con certeza que sus palabras se volverán proféticas. Por el momento, queda mucho por explorar, comprender e inventar para que esas ideas de ciencia ficción que llenan las mentes de los científicos se conviertan en una realidad completa.

Gracias por su atención, sigan curiosos y tengan una buena semana laboral, muchachos. :)

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