Zweidimensionales Duett: Erzeugung von Borofen-Graphen-Heterostrukturen

„Mutation ist der Schlüssel, um die Geheimnisse der Evolution zu lüften. Der Weg der Entwicklung vom einfachsten Organismus zur dominierenden biologischen Spezies geht seit Jahrtausenden weiter. Aber alle hunderttausend Jahre in der Evolution gibt es einen scharfen Sprung nach vorne “(Charles Xavier, X-Men, 2000). Wenn wir alle Science-Fiction-Elemente verwerfen, die in Comics und Filmen vorhanden sind, sind die Worte von Professor X ganz richtig. Die Entwicklung von etwas verläuft die meiste Zeit gleichmäßig, aber manchmal treten Sprünge auf, die einen großen Einfluss auf den gesamten Prozess haben. Dies gilt nicht nur für die Evolution der Arten, sondern auch für die Evolution der Technologie, deren Hauptmotor die Menschen, ihre Forschung und Erfindungen sind. Heute werden wir mit Ihnen eine Studie treffen, die laut ihren Autoren einen echten Evolutionssprung in der Nanotechnologie darstellt. Wie haben Wissenschaftler der Northwestern University (USA) eine neue zweidimensionale Heterostruktur geschaffen, warum wurden Graphen und Borofen als Basis gewählt und welche Eigenschaften kann ein solches System haben? Der Bericht der Forschungsgruppe wird uns darüber berichten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Der Begriff "Graphen" haben wir schon oft gehört - dies ist eine zweidimensionale Modifikation von Kohlenstoff, die aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen mit einer Dicke von 1 Atom besteht. Aber Borofen ist äußerst selten. Dieser Begriff bezieht sich auf einen zweidimensionalen Kristall, der ausschließlich aus Boratomen (B) besteht. Zum ersten Mal wurde die Möglichkeit der Existenz von Borofen bereits Mitte der 90er Jahre vorhergesagt, aber in der Praxis wurde diese Struktur erst 2015 erhalten.

Die Atomstruktur von Borofen besteht aus dreieckigen und hexagonalen Elementen und ist eine Folge der Wechselwirkung zwischen zweizentrigen und multizentrischen Bindungen innerhalb der Ebene, die für Elemente mit einem Elektronenmangel, zu denen auch Bor gehört, sehr charakteristisch ist.

* Mit Zweizentren- und Multizentrenbindungen meinen wir chemische Bindungen - Wechselwirkungen von Atomen, die die Stabilität eines Moleküls oder Kristalls als einzelne Struktur charakterisieren. Zum Beispiel tritt eine Zwei-Zentren-Zwei-Elektronen-Bindung auf, wenn 2 Atome 2 Elektronen untereinander teilen, und eine Zwei-Zentren-Drei-Elektronen-Bindung - 2 Atome und 3 Elektronen usw.

Aus physikalischer Sicht kann Borofen haltbarer und flexibler sein als Graphen. Es wird auch angenommen, dass Borofenstrukturen eine wirksame Ergänzung zu Batterien sein können, da Borofen eine hohe spezifische Kapazität und einzigartige Eigenschaften der elektronischen Leitfähigkeit und des Ionentransfers aufweist. Im Moment ist dies jedoch nur eine Theorie.

Als dreiwertiges Element * hat Bor mindestens 10 Allotrope * . In einer zweidimensionalen Form wird auch ein ähnlicher Polymorphismus * beobachtet.

Das dreiwertige Element * kann drei kovalente Bindungen bilden, deren Wertigkeit drei beträgt.

Allotropie * - wenn ein chemisches Element als zwei oder mehr einfache Substanzen dargestellt werden kann. Kohlenstoff ist beispielsweise Diamant, Graphen, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren usw.

Polymorphismus * - die Fähigkeit einer Substanz, in verschiedenen Kristallstrukturen zu existieren (polymorphe Modifikationen). Bei einfachen Substanzen ist dieser Begriff gleichbedeutend mit Allotropie.

Angesichts eines so breiten Polymorphismus besteht die Annahme, dass Borofen ein ausgezeichneter Kandidat für die Erzeugung neuer zweidimensionaler Heterostrukturen sein könnte, da unterschiedliche Konfigurationen von Borbindungen die Anforderungen für die Anpassung des Kristallgitters schwächen sollten. Leider wurde diese Frage früher aufgrund von Schwierigkeiten bei der Synthese ausschließlich auf theoretischer Ebene untersucht.

Für herkömmliche 2D-Materialien, die aus geschichteten Massenkristallen erhalten werden, können vertikale Heterostrukturen unter Verwendung eines mechanischen Stils realisiert werden. Andererseits basieren zweidimensionale laterale Heterostrukturen auf einer Aufwärtssynthese. Atomgenaue laterale Heterostrukturen haben ein großes Potenzial zur Lösung von Problemen bei der Steuerung der Funktionalität eines Heteroübergangs. Aufgrund der kovalenten Bindung führt eine unvollständige Gitteranpassung jedoch normalerweise zu breiten und ungeordneten Grenzflächen. Daher gibt es Potenzial, aber es gibt auch Probleme bei der Umsetzung.

In dieser Arbeit konnten Forscher Borofen und Graphen in eine zweidimensionale Heterostruktur integrieren. Trotz der Fehlpaarung zwischen den kristallographischen Gittern und der Symmetrie zwischen Borofen und Graphen führt die sequentielle Abscheidung von Kohlenstoff und Bor auf einem Ag (111) -Substrat im Ultrahochvakuum (UHV) zu nahezu atomar genauen lateralen Heteroschnittstellen mit vorhergesagten Gitterausrichtungen sowie zu vertikalen Heterointerfaces.

Studienvorbereitung

Vor dem Studium der Heterostruktur war es notwendig, sie herzustellen. Das Wachstum von Graphen und Borofen wurde in einer Ultrahochvakuumkammer mit einem Druck von 1 × 10 ^–10 mbar durchgeführt.

Das einkristalline Ag (111) -Substrat wurde durch wiederholte Sputterzyklen von Ar ⁺ (1 × 10 ^–5 mbar, Energie 800 eV, 30 Minuten) und thermisches Tempern (550 ° C, 45 Minuten) gereinigt, um eine atomar saubere und flache Oberfläche von Ag (111) zu erhalten )

Graphen wurde durch Elektronenstrahlverdampfung eines reinen (99,997%) Graphitstabs mit einem Durchmesser von 2,0 mm auf ein Ag (111) -Substrat gezüchtet, das bei einem Filamentstrom von ~ 1,6 A und einer Beschleunigungsspannung von ~ 2 kV auf 750 ° C erhitzt wurde, was einen Emissionsstrom von ~ 70 mA ergibt und einen Kohlenstofffluss von ~ 40 nA. Der Druck in der Kammer betrug 1 · 10 & ^supmin; & ^sup9; mbar.

Borofen wurde durch Elektronenstrahlverdampfung eines sauberen (99,9999%) Borstabs auf ein auf 400-500ºC auf Ag (111) erhitztes Submonolayer-Graphen gezüchtet. Der Glühstrom betrug ~ 1,5 A und die Beschleunigungsspannung betrug 1,75 kV, was einen Emissionsstrom von ~ 34 mA und einen Borfluss von ~ 10 nA ergibt. Der Druck in der Kammer während der Borofen-Kultivierung betrug ungefähr 2 × 10 ^–10 mbar.

Forschungsergebnisse

Bild Nr. 1

Bild 1A zeigt ein STM * -Bild von gewachsenem Graphen, wobei Graphen-Domänen am besten unter Verwendung einer dI / dV- Karte ( 1B ) sichtbar gemacht werden, wobei I und V der Tunnelstrom und die Probenverschiebung sind und d die Dichte ist.

STM * - Rastertunnelmikroskop.

Die dI / dV- Karten der Probe ermöglichten es, eine höhere lokale Zustandsdichte von Graphen im Vergleich zum Ag (111) -Substrat zu sehen. Nach früheren Studien weist der Oberflächenzustand von Ag (111) eine schrittweise zu positiven Energien im dI / dV- Spektrum von Graphen ( 1C ) verschobene Charakteristik auf, was die um 1 V höhere lokale Dichte der Graphenzustände bei 0,3 eV erklärt.

Im 1D- Bild sehen wir die Struktur von einschichtigem Graphen, bei dem das Wabengitter und der Moiré-Überbau * deutlich sichtbar sind * .

Überstruktur * ist ein Strukturmerkmal einer kristallinen Verbindung, die sich in einem bestimmten Intervall wiederholt und so eine neue Struktur mit einer anderen Wechselperiode erzeugt.

Moire * - Überlagerung von zwei periodischen Maschenmustern.

Bei niedrigeren Temperaturen führt das Wachstum zur Bildung von dendritischen und defekten Graphen-Domänen. Aufgrund schwacher Wechselwirkungen zwischen Graphen und dem darunter liegenden Substrat ist die Rotationsausrichtung von Graphen in Bezug auf das darunter liegende Ag (111) nicht eindeutig.

Nach der Borabscheidung zeigte die Rastertunnelmikroskopie ( 1E ) das Vorhandensein einer Verbindung von Borofen- und Graphen-Domänen. Im Bild sind auch die Bereiche innerhalb von Graphen sichtbar, die später als mit Borofen interkaliertes Graphen identifiziert wurden (im Bild Gr / B angegeben ). In diesem Bereich sind auch lineare Elemente deutlich sichtbar, die in drei Richtungen ausgerichtet und durch einen Winkel von 120 ° voneinander getrennt sind (gelbe Pfeile).


Bild Nr. 2

Das Bild auf 2A bestätigt wie 1E das Auftreten lokalisierter dunkler Vertiefungen (Vertiefungen) in Graphen nach der Borabscheidung.

Um diese Formationen besser untersuchen und ihren Ursprung herausfinden zu können, wurde ein weiteres Bild des gleichen Gebiets aufgenommen, jedoch unter Verwendung von Karten | dln I / dz | (2B), wobei I der Tunnelstrom ist, d die Dichte ist und z die Trennung der Sondenprobe ist (der Spalt zwischen der Mikroskopnadel und der Probe). Die Anwendung dieser Technik ermöglicht das Erhalten von Bildern mit hoher räumlicher Auflösung. Sie können auch CO oder H ₂ auf der Nadel eines Mikroskops verwenden.

Bild 2C ist ein CTM-Bild, dessen Nadel mit CO beschichtet wurde. Ein Vergleich der Bilder A , B und C zeigt, dass alle atomaren Elemente als drei benachbarte helle Sechsecke definiert sind, die in zwei nicht äquivalente Richtungen gerichtet sind (rote und gelbe Dreiecke in den Bildern).

Vergrößerte Bilder dieser Region ( 2D ) bestätigen, dass diese Elemente mit den Dotierstoffen von Bor übereinstimmen, die zwei Graphen-Untergitter einnehmen, wie durch überlagerte Strukturen angezeigt.

Die CO-Beschichtung der Mikroskopnadel ermöglichte es, die geometrische Struktur der Borofenfolie ( 2E ) aufzudecken, die ohne CO-Beschichtung nicht möglich gewesen wäre, wenn die Nadel Standard (Metall) gewesen wäre.


Bild Nr. 3

Die Bildung von lateralen Hetero-Grenzflächen zwischen Borofen und Graphen ( 3A ) sollte auftreten, wenn Borofen in der Nähe von Graphen-Domänen wächst, in denen Bor bereits vorhanden ist.

Wissenschaftler erinnern sich, dass die lateralen Heteroschnittstellen auf der Basis von Graphen-hBN (Graphen + Bornitrid) eine Gitteranpassung aufweisen und Heteroübergänge auf der Basis von Übergangsmetalldichalkogeniden eine Symmetrieanpassung aufweisen. Bei Graphen / Borophen ist die Situation etwas anders - sie weisen eine minimale strukturelle Ähnlichkeit in Bezug auf Gitterkonstanten oder Kristallsymmetrie auf. Trotzdem zeigt die laterale Hetero-Grenzfläche zwischen Graphen und Borofen eine nahezu perfekte atomare Konsistenz, wobei die Richtungen der Borreihe (B-Reihe) mit den Zickzackrichtungen (ZZ) von Graphen ( 3A ) ausgerichtet sind. Fig. 3B zeigt ein vergrößertes Bild des ZZ-Bereichs der Hetero-Grenzfläche (Grenzflächenelemente, die kovalenten Bor-Kohlenstoff-Bindungen entsprechen, sind durch blaue Linien angegeben).

Da das Borofenwachstum bei einer im Vergleich zu Graphen niedrigeren Temperatur auftritt, ist es unwahrscheinlich, dass die Ränder der Graphen-Domäne während der Bildung einer Hetero-Grenzfläche mit Borofen eine hohe Mobilität aufweisen. Daher ist eine nahezu atomar präzise Hetero-Schnittstelle wahrscheinlich das Ergebnis verschiedener Konfigurationen und Eigenschaften von multizentrischen Borbindungen. Die Spektren der Rastertunnelspektroskopie ( 3C ) und der Differentialtunnelleitfähigkeit ( 3D ) zeigen, dass der elektronische Übergang von Graphen zu Borophen in einem Abstand von ~ 5 Å ohne sichtbare Grenzflächenzustände erfolgt.

Bild 3E zeigt drei Spektren der Rastertunnelspektroskopie entlang dreier gestrichelter Linien in 3D, die bestätigen, dass dieser kurze elektronische Übergang unempfindlich gegenüber lokalen Grenzflächenstrukturen ist und mit dem an Borofen-Silber-Grenzflächen vergleichbar ist.


Bild Nr. 4

Die Graphen- Interkalation * wurde bereits ausführlich untersucht, aber die Umwandlung von Interkalanten in echte 2D-Schichten ist relativ selten.

Interkalation * - der reversible Einschluss eines Moleküls oder einer Gruppe von Molekülen zwischen anderen Molekülen oder Gruppen von Molekülen.

Der kleine Atomradius von Bor und die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Ag (111) legen eine mögliche Interkalation von Graphen mit Bor nahe. Fig. 4A liefert nicht nur Hinweise auf die Interkalation von Bor, sondern auch auf die Bildung vertikaler Borophen-Graphen-Heterostrukturen, insbesondere dreieckiger Domänen, die von Graphen umgeben sind. Das in dieser dreieckigen Domäne beobachtete Wabengitter bestätigt das Vorhandensein von Graphen. Dieses Graphen zeigt jedoch eine geringere lokale Zustandsdichte bei -50 meV im Vergleich zu umgebendem Graphen ( 4 V ). Im Vergleich zu Graphen direkt auf Ag (111) ist das Fehlen von Anzeichen einer hohen lokalen Zustandsdichte im dI / dV- Spektrum ( 4C , blaue Kurve), die dem Oberflächenzustand von Ag (111) entspricht, der erste Hinweis auf eine Boreinlagerung.

Wie für eine teilweise Interkalation erwartet, bleibt das Graphengitter entlang der gesamten lateralen Grenzfläche zwischen Graphen und dem dreieckigen Bereich kontinuierlich ( 4D - entspricht dem rechteckigen Bereich bei 4A , eingekreist in einer rot gepunkteten Linie). Ein Bild unter Verwendung von CO auf einer Mikroskopnadel bestätigte auch das Vorhandensein von Borsubstitutionsverunreinigungen ( 4E - entspricht einem rechteckigen Bereich von 4A, der von einer gelben gepunkteten Linie umgeben ist).

Während der Analyse wurden auch Mikroskopnadeln ohne Beschichtung verwendet. In diesem Fall wurden in interkalierten Graphen-Domänen Anzeichen eindimensionaler linearer Elemente mit einer Frequenz von 5 Å ( 4F und 4G ) festgestellt. Diese eindimensionalen Strukturen ähneln Borreihen im Borofenmodell. Zusätzlich zu der Menge von Punkten, die Graphen entsprechen, zeigt die Fourier-Transformation des Bildes auf 4G ein Paar orthogonaler Punkte, die einem rechteckigen Gitter von 3 Å x 5 Å ( 4H ) entsprechen, was in hervorragender Übereinstimmung mit dem Borofen-Modell ist. Darüber hinaus stimmt die beobachtete Dreifachorientierung des Gitters der linearen Elemente ( 1E ) gut mit der gleichen vorherrschenden Struktur überein, die für Borofenplatten beobachtet wurde.

Alle diese Beobachtungen weisen überzeugend auf eine Interkalation von Graphen mit Borofen nahe den Rändern von Ag hin, was zur Bildung vertikaler Borofen-Graphen-Heterostrukturen führt, die vorwiegend durch Erhöhen der anfänglichen Graphenbeschichtung realisiert werden können.

4I ist eine schematische Darstellung einer vertikalen 4H- Heterostruktur, bei der die Richtung der Borreihe (rosa Pfeil) eng mit der Zickzackrichtung von Graphen (schwarzer Pfeil) ausgerichtet ist, wodurch eine rotationsproportionale vertikale Heterostruktur gebildet wird.

Um die Nuancen der Studie genauer kennenzulernen, empfehle ich Ihnen, den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien zu lesen.

Nachwort

Diese Studie zeigte, dass Borofen durchaus in der Lage ist, mit Graphen laterale und vertikale Heterostrukturen zu bilden. Solche Systeme können bei der Entwicklung neuer Arten von zweidimensionalen Elementen verwendet werden, die in der Nanotechnologie, der flexiblen und tragbaren Elektronik sowie in neuen Arten von Halbleitern verwendet werden.

Die Forscher selbst glauben, dass ihre Entwicklung ein starker Impuls für die Elektroniktechnologie sein kann. Es ist jedoch schwierig, mit Sicherheit zu sagen, dass ihre Worte prophetisch werden. Im Moment bleibt noch viel zu erforschen, zu verstehen und zu erfinden, damit die Science-Fiction-Ideen, die die Köpfe der Wissenschaftler füllen, zu einer vollwertigen Realität werden.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit, bleiben Sie neugierig und haben Sie eine gute Arbeitswoche, Jungs. :) :)

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