ثنائي ثنائي الأبعاد: إنشاء heterostor البوروفين الجرافين

"الطفرة هي مفتاح كشف أسرار التطور. إن مسار التنمية من أبسط كائن حي إلى الأنواع البيولوجية المهيمنة مستمر منذ آلاف السنين. ولكن بعد كل مائة ألف عام في التطور ، هناك قفزة حادة للأمام "(Charles Xavier، X-Men، 2000). إذا تجاهلنا جميع عناصر الخيال العلمي الموجودة في الرسوم الهزلية والأفلام ، فعندئذ تكون كلمات البروفيسور X صحيحة تمامًا. يستمر تطور شيء ما بشكل موحد معظم الوقت ، ولكن في بعض الأحيان تحدث القفزات التي يكون لها تأثير كبير على العملية برمتها. هذا لا ينطبق فقط على تطور الأنواع ، ولكن أيضًا على تطور التكنولوجيا ، المحرك الرئيسي لها هو الأشخاص ، وأبحاثهم واختراعاتهم. سنلتقي بكم اليوم دراسة ، حسب مؤلفيها ، هي قفزة تطورية حقيقية في تقنية النانو. كيف تمكن علماء من جامعة نورث وسترن (الولايات المتحدة الأمريكية) من إنشاء هيكل متباين ثنائي الأبعاد جديد ، لماذا تم اختيار الجرافين والبوروفين كأساس ، وما هي الخصائص التي يمكن أن يتمتع بها هذا النظام؟ سوف يخبرنا تقرير المجموعة البحثية بهذا. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

مصطلح "الجرافين" سمعنا عدة مرات - هذا هو تعديل ثنائي الأبعاد للكربون ، يتكون من طبقة من ذرات الكربون بسمك 1 ذرة. لكن بوروفن نادر للغاية. يشير هذا المصطلح إلى بلورة ثنائية الأبعاد تتكون فقط من ذرات البورون (B). لأول مرة ، تم التنبؤ بإمكانية وجود البوروفين في منتصف التسعينيات ، ولكن في الممارسة العملية ، تم الحصول على هذا الهيكل فقط بحلول عام 2015.

يتكون التركيب الذري للبوروفين من عناصر مثلثية وسداسية ، وهو نتيجة للتفاعل بين روابط مركزية ثنائية المركز ومتعددة المراكز ، وهي خاصية مميزة للغاية للعناصر ذات نقص الإلكترون ، والتي تشمل البورون.

* نعني روابط ثنائية المركز ومتعددة المراكز الروابط الكيميائية - تفاعلات الذرات التي تميز استقرار الجزيء أو البلورة كهيكل واحد. على سبيل المثال ، يحدث رابطة ثنائية الإلكترون ثنائية المركز عندما تقسم ذرتان إلكترونين فيما بينها ، ورابطة ثنائية الإلكترون ثنائية المركز - ذرتان و 3 إلكترونات ، إلخ.

من وجهة نظر مادية ، يمكن أن يكون البوروفين أكثر متانة ومرونة من الجرافين. يُعتقد أيضًا أن هياكل البوروفن يمكن أن تكون إضافة فعالة للبطاريات ، نظرًا لأن البوروفين لديه قدرة خاصة عالية وخصائص فريدة للتوصيل الإلكتروني ونقل الأيونات. ومع ذلك ، في هذه اللحظة ليست سوى نظرية.

كونه عنصر ثلاثي التكافؤ * ، يحتوي البورون على 10 allotropes على الأقل * . في شكل ثنائي الأبعاد ، لوحظ أيضًا تعدد الأشكال المماثل * .

العنصر ثلاثي التكافؤ * قادر على تكوين ثلاث روابط تساهمية ، يكون التكافؤ منها ثلاثة.

Allotropy * - عندما يمكن تمثيل عنصر كيميائي واحد كمواد بسيطة أو أكثر. على سبيل المثال ، الكربون هو الماس والجرافين والجرافيت وأنابيب الكربون النانوية ، إلخ.

تعدد الأشكال * - قدرة مادة ما على الوجود في تراكيب بلورية مختلفة (تعديلات متعددة الأشكال). في حالة المواد البسيطة ، فإن هذا المصطلح مرادف للتجانس.

ونظراً لمثل هذا الشكل الواسع من الأشكال ، ينشأ الافتراض بأن البوروفين قد يكون مرشحًا ممتازًا لإنشاء هياكل متباينة جديدة ثنائية الأبعاد ، لأن تكوينات مختلفة من روابط البورون ينبغي أن تضعف متطلبات مطابقة الشبكة البلورية. لسوء الحظ ، في وقت سابق تم دراسة هذا السؤال حصرا على المستوى النظري بسبب الصعوبات في التوليف.

بالنسبة للمواد ثنائية الأبعاد التقليدية التي تم الحصول عليها من البلورات ذات الطبقات السائبة ، يمكن تحقيق هياكل متباينة رأسية باستخدام التصميم الميكانيكي. من ناحية أخرى ، تعتمد البنى الجانبية ثنائية الأبعاد على التوليف التصاعدي. تمتلك الهياكل المتغايرة الجانبية ذات الدقة الدقيقة من الناحية الذرية إمكانات كبيرة في حل المشكلات المتعلقة بالتحكم في وظيفة الوصلة المتغايرة ، ومع ذلك ، بسبب الترابط التساهمي ، تؤدي مطابقة الشبكة غير الكاملة عادةً إلى واجهات عريضة ومضطربة. لذلك ، هناك احتمال ، ولكن هناك أيضًا مشاكل في تنفيذه.

في هذا العمل ، تمكن الباحثون من دمج البوروفين والجرافين في هيكل واحد ثنائي الأبعاد. على الرغم من عدم التطابق بين المشابك البلورية والتماثل بين البوروفين والجرافين ، فإن الترسب المتسلسل للكربون والبورون على ركيزة Ag (111) في الفراغ الفائق (UHV) يؤدي إلى سطوح جانبية غير متجانسة دقيقة تقريبًا تقريبًا مع محاذاة شعرية متجانسة متوقعة.

إعداد الدراسة

قبل دراسة البنية المتغايرة ، كان من الضروري تصنيعها. تم تنفيذ نمو الجرافين والبوروفين في غرفة تفريغ عالية الضغط بضغط يتراوح من 1x10 إلى ¹⁰ مللي بار.

تمت تنقية الركيزة أحادية البلورة (111) بواسطة دورات متقطعة من Ar ⁺ (1 × 10 ^-5 ملي بار ، الطاقة 800 فولت ، 30 دقيقة) والتليين الحراري (550 درجة مئوية ، 45 دقيقة) للحصول على سطح نظيف ومسطح ذريًا لـ Ag (111) ).

نما الجرافين عن طريق تبخر شعاع الإلكترون بقضيب جرافيت نقي (99.997٪) قطره 2.0 مم على ركيزة Ag (111) تسخينها إلى 750 درجة مئوية في تيار خيطي يبلغ حوالي 1.6 A وفلطية متسارعة تبلغ ~ 2 كيلو فولت ، مما يعطي تيار انبعاث يبلغ حوالي 70 مللي أمبير وتدفق الكربون من ~ 40 غ. كان الضغط في الغرفة 1 × 10 ^-9 ملي بار.

نمت البوروفين عن طريق تبخر شعاع الإلكترون بقضيب بورون نظيف (99.9999٪) على جرافين دون طبقة تسخينه إلى 400-500 درجة مئوية على Ag (111). كان تيار التوهج ~ 1.5 A ، والجهد المتسارع كان 1.75 كيلو فولت ، وهو ما يعطي تيار انبعاث يبلغ حوالي 34 مللي أمبير وتدفق البورون من حوالي 10 غ. كان الضغط في الغرفة أثناء زراعة البروفين حوالي 2 × 10 - ¹⁰ ميلي بار.

نتائج البحوث

الصورة رقم 1

تُظهر الصورة 1A لقطة STM * من الجرافين المزروع ، حيث يتم عرض نطاقات الجرافين بشكل أفضل باستخدام خريطة dI / dV ( 1B ) ، حيث I و V هما تيار النفق وإزاحة العينة ، و d هي الكثافة.

STM * - مسح المجهر النفقي.

أتاحت خرائط dI / dV للعينة إمكانية رؤية كثافة محلية أعلى لحالات الجرافين بالمقارنة مع الركيزة Ag (111). وفقًا للدراسات السابقة ، تتميز الحالة السطحية لـ Ag (111) بخاصية متدرجة تحولت نحو الطاقات الإيجابية في طيف الجرافين dI / dV ، الذي يفسر الكثافة المحلية الأعلى لحالات الجرافين بمقدار 1 فولت عند 0.3 فولت.

في الصورة 1D ، يمكننا أن نرى بنية الجرافين أحادي الطبقة ، حيث تكون شبكة شعرية العسل وهيكل تموج في النسيج مرئية بوضوح * .

البنية الفوقية * هي ميزة هيكلية لمركب بلوري يتكرر في فترة زمنية معينة ، وبالتالي يخلق بنية جديدة مع فترة تناوب مختلفة.

تموج في النسيج * - تراكب بين نمطين شبكيين دوريين على بعضهما البعض.

في درجات الحرارة المنخفضة ، يؤدي النمو إلى تشكيل مجالات الجرافين المعيبة والتالفة. نظرًا للتفاعلات الضعيفة بين الجرافين والركيزة الأساسية ، فإن المحاذاة الدورانية للجرافين فيما يتعلق Ag (111) الأساسية ليست فريدة من نوعها.

بعد ترسب البورون ، أظهر المسح المجهري للنفق ( 1E ) وجود مركب من مجالات البوروفين والجرافين. تظهر أيضًا في الصورة المساحات الموجودة داخل الجرافين ، والتي تم تحديدها لاحقًا على أنها جرافين مقحم بالبروفين (المشار إليه في الصورة Gr / B ). في هذا المجال ، تكون العناصر الخطية واضحة للعيان ، وموجهة في ثلاثة اتجاهات ويفصل بينها زاوية 120 درجة (أسهم صفراء).


الصورة رقم 2

تؤكد الصورة على 2A ، مثل 1E ، ظهور المنخفضات المظلمة المترجمة (المنخفضات) في الجرافين بعد ترسب البورون.

من أجل تحسين دراسة هذه التكوينات ومعرفة أصلها ، تم التقاط صورة أخرى لنفس المنطقة ، ولكن باستخدام خرائط | dln I / dz | (2B) ، حيث I هو تيار النفق ، d هي الكثافة ، و z هو فصل عينة التحقيق (الفجوة بين إبرة المجهر والعينة). يسمح تطبيق هذه التقنية بالحصول على صور ذات دقة مكانية عالية. يمكنك أيضًا استخدام CO أو H ₂ على إبرة المجهر.

صورة 2C هي صورة CTM كانت مغلفة بإبرة CO. توضح مقارنة الصور A و B و C أن جميع العناصر الذرية يتم تعريفها على أنها ثلاثة سداسية ساطعة متجاورة موجهة في اتجاهين غير مكافئين (مثلثات حمراء وصفراء في الصور).

تؤكد الصور الموسعة لهذه المنطقة ( 2D ) أن هذه العناصر تتفق مع dopants البورون ، تحتل اثنين من الشبكات الفرعية الجرافين ، كما هو مبين من قبل الهياكل المتراكبة.

مكّن طلاء CO لإبرة المجهر من الكشف عن الهيكل الهندسي للورقة البوروفينية ( 2E ) ، وهو ما لم يكن ممكناً لو كانت الإبرة قياسية (معدنية) بدون طلاء ثاني أكسيد الكربون.


الصورة رقم 3

يجب أن يحدث تشكيل مغاير heterointerfaces بين البوروفين والجرافين ( 3A ) عندما ينمو البوروفين بالقرب من مجالات الجرافين التي يوجد فيها البورون بالفعل.

يتذكر العلماء أن السطوح غير المتجانسة الجانبية المستندة إلى الجرافين- HBN (الجرافين + نيتريد البورون) لها مطابقة شعرية ، وأن الخواص المتجانسة القائمة على ديكالوجينيدات المعدن الانتقالية لها تطابق مطابق. في حالة الجرافين / البوروفين ، يكون الموقف مختلفًا قليلاً - حيث يكون له حد أدنى من التشابه الهيكلي من حيث ثوابت الشبكة أو التناظر البلوري. ومع ذلك ، على الرغم من ذلك ، تُظهر واجهة heterointer الجانبية للجرافين / البوروفين اتساقًا ذريًا تقريبًا مثاليًا ، مع اتجاهات صف البورون (صف B) محاذاة مع اتجاهات متعرجة (ZZ) من الجرافين ( 3A ). ويبين الشكل 3B صورة موسعة لمنطقة ZZ من السطح المتغاير (يشار إلى العناصر البينية المقابلة للروابط التساهمية بين البورون والكربون بخطوط زرقاء).

نظرًا لأن نمو البوروفين يحدث عند درجة حرارة منخفضة مقارنة بالجرافين ، فمن غير المرجح أن يكون لحواف مجال الجرافين قدرة عالية على الحركة أثناء تشكيل واجهة مغايرة مع بوروفين. لذلك ، من المحتمل أن تكون الواجهة غير المتجانسة الدقيقة تقريبًا نتيجة لتكوينات وخصائص سندات البورون متعددة المراكز. يُظهر أطياف مسح مطيافية الأنفاق ( 3C ) وموصلية الأنفاق التفاضلية ( 3D ) أن الانتقال الإلكتروني من الجرافين إلى البوروفين يحدث على مسافة تبلغ 5 5 Å دون حالات واجهة مرئية.

تُظهر الصورة 3E ثلاثة أطياف من المسح الطيفي للنفق المأخوذة على ثلاثة خطوط متقطعة ثلاثية الأبعاد ، والتي تؤكد أن هذا الانتقال الإلكتروني القصير لا يراعي الهياكل البينية المحلية ويمكن مقارنته مع واجهات البوروفين الفضية.


الصورة رقم 4

تم أيضًا دراسة الجرافين * بشكل مكثف سابقًا ، لكن تحويل المقاطع إلى صفائح ثنائية الأبعاد نادرة نسبيًا.

Intercalation * - الإدراج العكسي لجزيء أو مجموعة من الجزيئات بين جزيئات أخرى أو مجموعات من الجزيئات.

يشير نصف قطر الذرة الذري الصغير والتفاعل الضعيف بين الجرافين و Ag (111) إلى تقاطع محتمل للجرافين مع البورون. يقدم الشكل 4A أدلة ليس فقط على تقاطع البورون ، ولكن أيضًا على تكوين هياكل متباينة للورق الجرافين البورفيني ، وخاصة المجالات الثلاثية المحاطة بالجرافين. شعرية العسل التي لوحظت في هذا المجال الثلاثي تؤكد وجود الجرافين. ومع ذلك ، يُظهر هذا الجرافين كثافة محلية أقل للحالات عند -50 ميغا فولت مقارنة بالجرافين المحيط ( 4V ). بالمقارنة مع الجرافين مباشرة على Ag (111) ، فإن عدم وجود علامات ذات كثافة محلية عالية للحالات في الطيف ذي dI / dV ( 4C ، المنحنى الأزرق) المطابق لحالة السطح لـ Ag (111) هو أول دليل على تقاطع البورون.

أيضًا ، كما هو متوقع بالنسبة للإقحام الجزئي ، تظل شبكة الجرافين مستمرة على طول الواجهة الجانبية بالكامل بين الجرافين والمنطقة المثلثية ( 4D - تقابل المنطقة المستطيلة عند 4A ، محاطة بدائرة بخط أحمر منقوش). أكدت صورة باستخدام CO على إبرة المجهر أيضًا وجود شوائب بديلة من البورون ( 4E - تقابل منطقة مستطيلة من 4A محاطة بخط منقط أصفر).

تم استخدام إبر المجهر بدون أي طلاء أثناء التحليل. في هذه الحالة ، تم الكشف عن علامات العناصر الخطية أحادية البعد بتردد قدره 5 Å ( 4F و 4G ) في مجالات الجرافين المقربة. تشبه هذه الهياكل أحادية البعد صفوف البورون في نموذج البوروفين. بالإضافة إلى مجموعة النقاط المقابلة للجرافين ، يعرض تحويل فورييه للصورة على 4G زوجًا من النقاط المتعامدة المقابلة لشبكة مستطيلة الشكل 3 × 5 Å ( 4H ) ، والتي تتفق بشكل ممتاز مع طراز البوروفين. علاوة على ذلك ، فإن الاتجاه الثلاثي الملحوظ لشبكة العناصر الخطية ( 1E ) يتوافق بشكل جيد مع نفس البنية السائدة التي لوحظت على ألواح البوروفين.

تشير جميع هذه الملاحظات بشكل مقنع إلى تقاطع الجرافين مع البوروفين بالقرب من حواف Ag ، مما يؤدي إلى تكوين هياكل متباينة رأسية من البوروفين - الجرافين ، والتي يمكن تحقيقها في الغالب عن طريق زيادة طلاء الجرافين الأولي.

4I عبارة عن تمثيل تخطيطي لهيكل متباين رأسي 4H ، حيث يتم محاذاة اتجاه صف البورون (السهم الوردي) بشكل وثيق مع اتجاه متعرج من الجرافين (السهم الأسود) ، وبالتالي تشكيل هيكل متباين رأسي متناسب بالتناوب.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

أظهرت هذه الدراسة أن البوروفين قادر تمامًا على تكوين هياكل متباينة جانبية ورأسية مع الجرافين. يمكن استخدام هذه الأنظمة في تطوير أنواع جديدة من العناصر ثنائية الأبعاد المستخدمة في تقنية النانو ، والإلكترونيات المرنة ويمكن ارتداؤها ، وكذلك في أنواع جديدة من أشباه الموصلات.

يعتقد الباحثون أنفسهم أن تطويرهم يمكن أن يكون قوة دفع قوية للتكنولوجيا المتعلقة بالإلكترونيات. ومع ذلك ، فمن الصعب القول بالتأكيد أن كلماتهم سوف تصبح نبوية. في الوقت الحالي ، لا يزال هناك الكثير مما يجب استكشافه وفهمه واختراعه حتى تصبح أفكار الخيال العلمي هذه التي تملأ عقول العلماء حقيقة كاملة.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين ولديكم أسبوع عمل جيد ، شباب. :)

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على خادم مستوى دخول تمثيلي فريد اخترعوه لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps من 20 دولارا أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ فقط لدينا 2 من Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6 جيجا هرتز 14 جيجا بايت 64 جيجا بايت DDR4 4 × 960 جيجا بايت SSD 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 199 دولار في هولندا! Dell R420 - 2x E5-2430 سعة 2 جيجا هرتز 6 جيجا بايت 128 جيجا بايت ذاكرة DDR3 2x960GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 تيرابايت - من 99 دولارًا! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟