Duo bidimensionnel: création d'hétérostructures borofène-graphène

«La mutation est la clé pour percer les mystères de l'évolution. Le chemin du développement de l'organisme le plus simple aux espèces biologiques dominantes se poursuit depuis des millénaires. Mais tous les cent mille ans d'évolution, il y a un bond en avant »(Charles Xavier, X-Men, 2000). Si nous rejetons tous les éléments de science-fiction présents dans les bandes dessinées et les films, les paroles du professeur X sont tout à fait vraies. Le développement de quelque chose se déroule uniformément la plupart du temps, mais parfois des sauts se produisent qui ont un impact énorme sur l'ensemble du processus. Cela s'applique non seulement à l'évolution des espèces, mais aussi à l'évolution de la technologie, dont le principal moteur est l'homme, ses recherches et ses inventions. Aujourd'hui, nous vous rencontrerons une étude qui, selon ses auteurs, constitue un véritable saut évolutif en nanotechnologie. Comment les scientifiques de la Northwestern University (États-Unis) ont-ils réussi à créer une nouvelle hétérostructure bidimensionnelle, pourquoi le graphène et le borofène ont-ils été choisis comme base, et quelles propriétés un tel système peut-il avoir? Le rapport du groupe de recherche nous en parlera. Allons-y.

Base d'étude

Le terme "graphène", nous l'avons entendu à plusieurs reprises - il s'agit d'une modification bidimensionnelle du carbone, constituée d'une couche d'atomes de carbone d'une épaisseur de 1 atome. Mais Borofen est extrêmement rare. Ce terme fait référence à un cristal bidimensionnel constitué uniquement d'atomes de bore (B). Pour la première fois, la possibilité de l'existence de borofène était prévue au milieu des années 90, mais dans la pratique, cette structure n'a été obtenue qu'en 2015.

La structure atomique du borofène est constituée d'éléments triangulaires et hexagonaux et est une conséquence de l'interaction entre les liaisons intra-planes à deux centres et multicentres, ce qui est très caractéristique des éléments à déficience électronique, qui comprend le bore.

* Par liaisons à deux centres et multicentres, nous entendons des liaisons chimiques - interactions d'atomes caractérisant la stabilité d'une molécule ou d'un cristal en tant que structure unique. Par exemple, une liaison à deux électrons à deux centres se produit lorsque 2 atomes divisent 2 électrons entre eux, et une liaison à trois électrons à deux centres - 2 atomes et 3 électrons, etc.

D'un point de vue physique, le borofène peut être plus durable et flexible que le graphène. On pense également que les structures de borofène peuvent être un ajout efficace aux batteries, car le borofène a une capacité spécifique élevée et des propriétés uniques de conductivité électronique et de transfert d'ions. Cependant, pour le moment, ce n'est qu'une théorie.

Étant un élément trivalent * , le bore possède au moins 10 allotropes * . Sous une forme bidimensionnelle, un polymorphisme similaire * est également observé.

L'élément trivalent * est capable de former trois liaisons covalentes dont la valence est de trois.

Allotropie * - lorsqu'un élément chimique peut être représenté comme deux ou plusieurs substances simples. À titre d'exemple, le carbone est le diamant, le graphène, le graphite, les nanotubes de carbone, etc.

Polymorphisme * - la capacité d'une substance à exister dans différentes structures cristallines (modifications polymorphes). Dans le cas de substances simples, ce terme est synonyme d'allotropie.

Compte tenu d'un polymorphisme aussi large, l'hypothèse se pose que le borofène peut être un excellent candidat pour créer de nouvelles hétérostructures bidimensionnelles, car différentes configurations de liaisons au bore devraient affaiblir les exigences pour faire correspondre le réseau cristallin. Malheureusement, auparavant, cette question a été étudiée exclusivement au niveau théorique en raison de difficultés de synthèse.

Pour les matériaux 2D conventionnels obtenus à partir de cristaux stratifiés en vrac, des hétérostructures verticales peuvent être réalisées en utilisant un style mécanique. D'autre part, les hétérostructures latérales bidimensionnelles sont basées sur une synthèse ascendante. Les hétérostructures latérales atomiquement précises ont un grand potentiel pour résoudre les problèmes de contrôle de la fonctionnalité d'une hétérojonction, cependant, en raison de la liaison covalente, l'appariement de réseau imparfait conduit généralement à des interfaces larges et désordonnées. Par conséquent, il y a du potentiel, mais il y a aussi des problèmes dans sa mise en œuvre.

Dans ce travail, les chercheurs ont pu intégrer le borofène et le graphène dans une hétérostructure bidimensionnelle. Malgré l'inadéquation entre les réseaux cristallographiques et la symétrie entre le borofène et le graphène, le dépôt séquentiel de carbone et de bore sur un substrat Ag (111) dans le vide ultra-élevé (UHV) conduit à des hétéro-interfaces latérales presque atomiquement précises avec des alignements de réseau prédits, ainsi qu'à des hétéro-interfaces verticales.

Préparation de l'étude

Avant d'étudier l'hétérostructure, il a fallu la fabriquer. La croissance du graphène et du borofène a été réalisée dans une chambre à vide ultra-haute avec une pression de 1x10 ^-10 mbar.

Le substrat monocristallin Ag (111) a été purifié par des cycles de pulvérisation répétée d'Ar ⁺ (1 x 10 ^-5 mbar, énergie 800 eV, 30 minutes) et un recuit thermique (550 ° C, 45 minutes) pour obtenir une surface atomiquement propre et plane d'Ag (111 )

Le graphène a été cultivé par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de graphite pur (99,997%) de 2,0 mm de diamètre sur un substrat Ag (111) chauffé à 750 ° C à un courant de filament de ~ 1,6 A et une tension d'accélération de ~ 2 kV, ce qui donne un courant d'émission de ~ 70 mA et un flux de carbone de ~ 40 nA. La pression dans la chambre était de 1 x 10 ^-9 mbar.

Le borofène a été cultivé par évaporation par faisceau d'électrons d'une tige de bore propre (99,9999%) sur un graphène sous-monocouche chauffé à 400-500 ° C sur Ag (111). Le courant de préchauffage était de ~ 1,5 A et la tension d'accélération de 1,75 kV, ce qui donne un courant d'émission de ~ 34 mA et un flux de bore de ~ 10 nA. La pression dans la chambre pendant la culture de borofène était d'environ 2 x 10 ^-10 mbar.

Résultats de recherche

Image n ° 1

L'image 1A montre un instantané STM * du graphène cultivé, où les domaines du graphène sont mieux visualisés en utilisant la carte dI / dV ( 1B ), où I et V sont le courant de tunnelisation et le déplacement de l'échantillon, et d est la densité.

STM * - microscope à effet tunnel.

Les cartes dI / dV de l'échantillon ont permis de voir une densité locale plus élevée d'états de graphène par rapport au substrat Ag (111). Conformément aux études précédentes, l'état de surface de Ag (111) a une caractéristique pas à pas décalée vers les énergies positives dans le spectre dI / dV du graphène ( 1C ), ce qui explique la densité locale plus élevée des états du graphène de 1 V à 0,3 eV.

Dans l'image 1D , nous pouvons voir la structure du graphène monocouche, où le réseau en nid d'abeilles et la superstructure de moiré * sont clairement visibles * .

La superstructure * est une caractéristique structurelle d'un composé cristallin qui se répète à un certain intervalle et crée ainsi une nouvelle structure avec une période d'alternance différente.

Moire * - superposition de deux motifs de mailles périodiques l'un sur l'autre.

À des températures plus basses, la croissance conduit à la formation de domaines graphéniques dendritiques et défectueux. En raison de faibles interactions entre le graphène et le substrat sous-jacent, l'alignement rotationnel du graphène par rapport à l'Ag sous-jacent (111) n'est pas unique.

Après le dépôt de bore, la microscopie à effet tunnel ( 1E ) a montré la présence d'un composé de domaines de borofène et de graphène. Sont également visibles sur l'image les zones à l'intérieur du graphène, qui ont ensuite été identifiées comme du graphène intercalé avec du borofène (indiqué dans l'image Gr / B ). Dans cette zone, les éléments linéaires sont également clairement visibles, orientés dans trois directions et séparés par un angle de 120 ° (flèches jaunes).


Image n ° 2

L'image sur 2A , comme 1E , confirme l'apparition de dépressions sombres localisées (dépressions) dans le graphène après dépôt de bore.

Afin de mieux examiner ces formations et de découvrir leur origine, une autre photo a été prise de la même zone, mais en utilisant des cartes | dln I / dz | (2B), où I est le courant de tunnelisation, d est la densité et z est la séparation de l'échantillon-sonde (l'écart entre l'aiguille du microscope et l'échantillon). L'application de cette technique permet d'obtenir des images à haute résolution spatiale. Vous pouvez également utiliser CO ou H ₂ sur l'aiguille d'un microscope.

L'image 2C est une image CTM dont l'aiguille était recouverte de CO. La comparaison des images A , B et C montre que tous les éléments atomiques sont définis comme trois hexagones lumineux adjacents dirigés dans deux directions non équivalentes (triangles rouges et jaunes dans les images).

Des images agrandies de cette région ( 2D ) confirment que ces éléments sont en accord avec les dopants du bore, occupant deux sous-réseaux de graphène, comme l'indiquent les structures superposées.

Le revêtement CO de l'aiguille du microscope a permis de révéler la structure géométrique de la feuille de borofène ( 2E ), ce qui n'aurait pas été possible si l'aiguille avait été standard (métal) sans revêtement CO.


Image n ° 3

La formation d'hétéro-interfaces latérales entre le borofène et le graphène ( 3A ) devrait se produire lorsque le borofène se développe près des domaines du graphène dans lesquels le bore est déjà présent.

Les scientifiques rappellent que les hétéro-interfaces latérales basées sur le graphène-hBN (graphène + nitrure de bore) ont une correspondance de réseau, et les hétérojonctions basées sur des dichalcogénures de métaux de transition ont une correspondance de symétrie. Dans le cas du graphène / borophène, la situation est légèrement différente - ils ont une similitude structurelle minimale en termes de constantes de réseau ou de symétrie cristalline. Cependant, malgré cela, l'hétéro-interface latérale graphène / borofène présente une consistance atomique presque parfaite, les directions de la rangée de bore (rangée B) étant alignées avec les directions en zigzag (ZZ) du graphène ( 3A ). La figure 3B montre une image agrandie de la région ZZ de l'hétéro-interface (les éléments interfaciaux correspondant aux liaisons covalentes bore-carbone sont indiqués par des lignes bleues).

Étant donné que la croissance du borofène se produit à une température inférieure à celle du graphène, les bords du domaine du graphène sont peu susceptibles d'avoir une mobilité élevée lors de la formation d'une hétéro-interface avec le borofène. Par conséquent, une hétéro-interface presque atomiquement précise est probablement le résultat de diverses configurations et caractéristiques des liaisons au bore multicentriques. Les spectres de la spectroscopie à effet tunnel ( 3C ) et de la conductivité à effet tunnel différentiel ( 3D ) montrent que la transition électronique du graphène au borophène se produit à une distance de ~ 5 Å sans états d'interface visibles.

L'image 3E montre trois spectres de spectroscopie à effet tunnel pris le long de trois lignes pointillées en 3D, qui confirment que cette courte transition électronique est insensible aux structures interfaciales locales et est comparable à celle des interfaces borofène-argent.


Image n ° 4

L' intercalation du graphène * a également été largement étudiée précédemment, mais la conversion des intercalants en véritables feuilles 2D est relativement rare.

Intercalation * - l'inclusion réversible d'une molécule ou d'un groupe de molécules entre d'autres molécules ou groupes de molécules.

Le petit rayon atomique du bore et la faible interaction entre le graphène et Ag (111) suggèrent une possible intercalation du graphène avec le bore. La figure 4A montre non seulement l'intercalation du bore, mais également la formation d'hétérostructures verticales de borophène-graphène, en particulier des domaines triangulaires entourés de graphène. Le réseau en nid d'abeilles observé sur ce domaine triangulaire confirme la présence de graphène. Cependant, ce graphène présente une densité locale d'états inférieure à -50 meV par rapport au graphène environnant ( 4V ). Comparé au graphène directement sur Ag (111), l'absence de signes d'une forte densité locale d'états dans le spectre dI / dV ( 4C , courbe bleue) correspondant à l'état de surface de Ag (111) est la première preuve d'intercalation du bore.

De plus, comme prévu pour l'intercalation partielle, le réseau de graphène reste continu le long de toute l'interface latérale entre le graphène et la région triangulaire ( 4D - correspond à la région rectangulaire à 4A , entourée de pointillés rouges). Une image utilisant du CO sur une aiguille de microscope a également confirmé la présence d'impuretés de substitution au bore ( 4E - correspond à une région rectangulaire de 4A entourée d'une ligne pointillée jaune).

Des aiguilles de microscope sans revêtement ont également été utilisées lors de l'analyse. Dans ce cas, des signes d'éléments linéaires unidimensionnels avec une fréquence de 5 Å ( 4F et 4G ) ont été révélés dans les domaines de graphène intercalés. Ces structures unidimensionnelles ressemblent à des rangées de bore dans le modèle au borofène. En plus de l'ensemble des points correspondant au graphène, la transformée de Fourier de l'image sur 4G affiche une paire de points orthogonaux correspondant à un réseau rectangulaire de 3 Å x 5 Å ( 4H ), ce qui est en excellent accord avec le modèle au borofène. De plus, la triple orientation observée du réseau d'éléments linéaires ( 1E ) est en bon accord avec la même structure dominante observée pour les feuilles de borofène.

Toutes ces observations indiquent de manière convaincante l'intercalation du graphène avec du borofène près des bords de l'Ag, ce qui conduit donc à la formation d'hétérostructures verticales de borofène-graphène, qui peuvent être principalement réalisées en augmentant le revêtement de graphène initial.

4I est une représentation schématique d'une hétérostructure verticale 4H , où la direction d'une série de bore (flèche rose) est étroitement alignée avec la direction en zigzag du graphène (flèche noire), formant ainsi une hétérostructure verticale proportionnelle en rotation.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les documents supplémentaires qui s'y rapportent.

Épilogue

Cette étude a montré que le borofène est tout à fait capable de former des hétérostructures latérales et verticales avec le graphène. De tels systèmes peuvent être utilisés dans le développement de nouveaux types d'éléments bidimensionnels utilisés en nanotechnologie, en électronique flexible et portable, ainsi que dans de nouveaux types de semi-conducteurs.

Les chercheurs eux-mêmes estiment que leur développement peut être un puissant moteur pour les technologies liées à l'électronique. Cependant, il est difficile de dire avec certitude que leurs paroles deviendront prophétiques. Pour le moment, il reste beaucoup à explorer, à comprendre et à inventer pour que ces idées de science-fiction qui remplissent l'esprit des scientifiques deviennent une réalité à part entière.

Merci de votre attention, restez curieux et bonne semaine de travail, les gars. :)

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