द्वि-आयामी युगल: बोरोफेन-ग्राफीन हेट्रोस्ट्रक्चर का निर्माण

“उत्परिवर्तन विकास के रहस्यों को जानने की कुंजी है। सहस्राब्दी के लिए सबसे सरल जीव से प्रमुख जीव प्रजातियों के विकास का मार्ग चल रहा है। लेकिन विकास में हर सौ हजार वर्षों के बाद, एक तेज छलांग आगे है ”(चार्ल्स जेवियर, एक्स-मेन, 2000)। यदि हम कॉमिक्स और फिल्मों में मौजूद सभी विज्ञान-फाई तत्वों को छोड़ देते हैं, तो प्रोफेसर एक्स के शब्द काफी हद तक सही हैं। किसी चीज का विकास ज्यादातर समय समान रूप से होता है, लेकिन कभी-कभी कूदता है जो पूरी प्रक्रिया पर एक बड़ा प्रभाव डालता है। यह न केवल प्रजातियों के विकास पर लागू होता है, बल्कि प्रौद्योगिकी के विकास के लिए भी लागू होता है, जिसका मुख्य इंजन लोगों, उनके अनुसंधान और आविष्कार हैं। आज हम आपके साथ एक अध्ययन में मिलेंगे, जो इसके लेखकों के अनुसार, नैनो टेक्नोलॉजी में एक वास्तविक विकासवादी छलांग है। नॉर्थवेस्टर्न यूनिवर्सिटी (यूएसए) के वैज्ञानिकों ने एक नया द्वि-आयामी हेट्रोस्ट्रक्चर बनाने का प्रबंधन कैसे किया, ग्राफीन और बोरोफेन को आधार के रूप में क्यों चुना गया, और ऐसी प्रणाली में क्या गुण हो सकते हैं? शोध समूह की रिपोर्ट हमें इस बारे में बताएगी। चलो चलते हैं।

अध्ययन का आधार

"ग्राफीन" शब्द हमने कई बार सुना है - यह कार्बन का एक दो आयामी संशोधन है, जिसमें 1 परमाणुओं की मोटाई के साथ कार्बन परमाणुओं की एक परत होती है। लेकिन बोरोफेन अत्यंत दुर्लभ है। यह शब्द एक दो-आयामी क्रिस्टल को संदर्भित करता है जिसमें केवल बोरोन परमाणु (बी) शामिल हैं। पहली बार, 90 के दशक के मध्य में बोरोफेन के अस्तित्व की संभावना का अनुमान लगाया गया था, लेकिन व्यवहार में, यह संरचना केवल 2015 तक ही प्राप्त हुई थी।

बोरोफेन की परमाणु संरचना में त्रिकोणीय और हेक्सागोनल तत्व शामिल हैं और यह दो-केंद्र और बहु-केंद्र इंट्रा-प्लेन बॉन्ड के बीच बातचीत का एक परिणाम है, जो इलेक्ट्रॉन की कमी वाले तत्वों की बहुत विशेषता है, जिसमें बोरोन भी शामिल है।

* दो-केंद्र और बहुकोशिकीय बंधों से हमारा मतलब है रासायनिक बंध - एक संरचना के रूप में एक अणु या क्रिस्टल की स्थिरता को दर्शाते हुए परमाणुओं की परस्पर क्रिया। उदाहरण के लिए, एक दो-केंद्र दो-इलेक्ट्रॉन बंधन तब होता है जब 2 परमाणु आपस में 2 इलेक्ट्रॉनों को विभाजित करते हैं, और एक दो-केंद्र तीन-इलेक्ट्रॉन बंधन - 2 परमाणु और 3 इलेक्ट्रॉन, आदि।

भौतिक दृष्टिकोण से, बोरोफीन ग्रेफीन की तुलना में अधिक टिकाऊ और लचीला हो सकता है। यह भी माना जाता है कि बोरोफन संरचनाएं बैटरी के लिए एक प्रभावी जोड़ हो सकती हैं, क्योंकि बोरोफेन में उच्च विशिष्ट क्षमता और इलेक्ट्रॉनिक चालकता और आयन हस्तांतरण के अद्वितीय गुण हैं। हालांकि, फिलहाल यह केवल एक सिद्धांत है।

एक ट्रिटेंट तत्व * होने के नाते, बोरान में कम से कम 10 अलॉट्रोप * हैं । द्वि-आयामी रूप में, एक समान बहुरूपता * भी देखी जाती है।

ट्रिटेंट तत्व * तीन सहसंयोजक बंधन बनाने में सक्षम है, जिसकी वैधता तीन है।

एलोट्रॉपी * - जब एक रासायनिक तत्व को दो या अधिक सरल पदार्थों के रूप में दर्शाया जा सकता है। उदाहरण के रूप में, कार्बन हीरा, ग्रेफीन, ग्रेफाइट, कार्बन नैनोट्यूब, आदि है।

बहुरूपता * - पदार्थ की विभिन्न क्रिस्टलीय संरचनाओं में मौजूद होने की क्षमता (बहुरूपता संशोधन)। सरल पदार्थों के मामले में, यह शब्द अलॉट्रॉपी का पर्याय है।

इस तरह के एक व्यापक बहुरूपता को देखते हुए, यह धारणा पैदा होती है कि बोरोफेन नए दो-आयामी हेटोस्ट्रोस्ट्रक्चर के निर्माण के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार हो सकता है, क्योंकि बोरान बांड के विभिन्न विन्यास क्रिस्टल जाली से मेल खाने के लिए आवश्यकताओं को कमजोर करना चाहिए। दुर्भाग्य से, पहले इस प्रश्न का संश्लेषण में कठिनाइयों के कारण सैद्धांतिक स्तर पर विशेष रूप से अध्ययन किया गया था।

थोक स्तरित क्रिस्टल से प्राप्त पारंपरिक 2 डी सामग्रियों के लिए, यांत्रिक स्टाइलिंग का उपयोग करके ऊर्ध्वाधर हेट्रोस्ट्रक्चर को महसूस किया जा सकता है। दूसरी ओर, द्विआयामी पार्श्व हेटरोस्ट्रक्चर, उर्ध्व संश्लेषण पर आधारित हैं। एटोमिक रूप से सटीक लेटरल हेट्रोस्ट्रक्चर की एक हेटोरोजंक्शन की कार्यक्षमता को नियंत्रित करने के साथ समस्याओं को हल करने में बहुत क्षमता है, हालांकि, सहसंयोजक बंधन के कारण, अपूर्ण जाली मिलान आमतौर पर व्यापक और अव्यवस्थित इंटरफेस की ओर जाता है। इसलिए, क्षमता है, लेकिन इसके कार्यान्वयन में भी समस्याएं हैं।

इस कार्य में, शोधकर्ता बोरोफेन और ग्राफीन को एक दो-आयामी हेटरोस्ट्रक्चर में एकीकृत करने में सक्षम थे। क्रिस्टलोग्राफिक लैटिट्स के बीच बेमेल और बोरोफेन और ग्रेफीन के बीच समरूपता के बावजूद, एक एएच (111) सब्सट्रेट पर अलहाराह वैक्यूम (यूएचवी) में कार्बन और बोरॉन के क्रमिक बयान से पूर्वानुमानित जाली संरेखण के साथ लगभग सटीक रूप से सटीक पार्श्व विषमकोण की ओर जाता है, साथ ही ऊर्ध्वाधर भी।

अध्ययन की तैयारी

हेटरोस्ट्रक्चर का अध्ययन करने से पहले, इसे गढ़ना आवश्यक था। ग्राफीन और बोरोफेन की वृद्धि को 1x10 ^-10 mbar के दबाव के साथ एक अल्ट्राहैग वैक्यूम चेंबर में किया गया था।

एकल-क्रिस्टल Ag (111) सब्सट्रेट को Ar ⁺ (1 x 10 ^-5 mbar, ऊर्जा 800 eV, 30 मिनट) और थर्मल एनीलिंग (550 ° C, 45 मिनट) के बार-बार स्पंदन चक्र द्वारा शुद्ध किया गया था ताकि Ag (111) की एक परमाणु स्वच्छ और सपाट सतह प्राप्त की जा सके )।

ग्राफीन को एक शुद्ध (99.997%) ग्रेफाइट रॉड 2.0 मिमी व्यास में एक एजी (111) सब्सट्रेट पर ~ 1.6 ए के फिलामेंट करंट और ~ 2 वीवी के एक त्वरित वोल्टेज पर 750 ° C तक गर्म किया जाता है, जो कि ~ 70 mA का उत्सर्जन करंट देता है। और ~ 40 एनए का एक कार्बन प्रवाह। कक्ष में दबाव 1 x 10 ^-9 mbar था।

बोरोफेन को एक उप-समीपवर्ती ग्राफीन पर एग (111) पर गर्म किए गए एक साफ (99.9999%) बोरॉन रॉड के इलेक्ट्रॉन बीम वाष्पीकरण द्वारा उगाया गया था। चमक वर्तमान ~ 1.5 ए था, और त्वरित वोल्टेज 1.75 केवी था, जो ~ 34 एमए का एक उत्सर्जन प्रवाह और ~ 10 एनए का बोरान प्रवाह देता है। बोरोफेन की खेती के दौरान कक्ष में दबाव लगभग 2 x 10 ^-10 mbar था।

अनुसंधान के परिणाम

चित्र संख्या 1

छवि 1 ए , बढ़ी हुई ग्राफीन की एसटीएम * स्नैपशॉट दिखाती है, जहां ग्राफीन डोमेन डीआई / डीवी ( 1 बी ) मैप का उपयोग करके सबसे अच्छा दिखाई देता है, जहां मैं और वी सुरंग चालू और नमूना विस्थापन हैं, और डी घनत्व है।

एसटीएम * - स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप।

नमूने के dI / dV नक्शे ने Ag (111) सब्सट्रेट की तुलना में ग्राफीन के राज्यों के उच्च स्थानीय घनत्व को देखना संभव बना दिया। पिछले अध्ययनों के अनुसार, एजी (111) की सतह की स्थिति में ग्राफीन ( 1C ) के dI / dV स्पेक्ट्रम में सकारात्मक ऊर्जा की ओर स्थानांतरित एक चरणबद्ध विशेषता है, जो 0.3 eV द्वारा 1 V द्वारा ग्राफीन के राज्यों के उच्च स्थानीय घनत्व की व्याख्या करता है।

1 डी छवि में, हम सिंगल-लेयर ग्राफीन की संरचना देख सकते हैं, जहां मधुकोश जाली और मौआ सुपरस्ट्रक्चर * स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं * ।

अधिरचना * एक क्रिस्टलीय यौगिक की एक संरचनात्मक विशेषता है जो एक निश्चित अंतराल पर दोहराता है और इस तरह एक अलग वैकल्पिक अवधि के साथ एक नई संरचना बनाता है।

Moire * - एक दूसरे पर दो आवधिक जाल पैटर्न का ओवरले।

कम तापमान पर, विकास डेंड्राइटिक और दोषपूर्ण ग्राफीन डोमेन के गठन की ओर जाता है। ग्राफीन और अंतर्निहित सब्सट्रेट के बीच कमजोर इंटरैक्शन के कारण, अंतर्निहित एजी (111) के संबंध में ग्राफीन का घूर्णी संरेखण अद्वितीय नहीं है।

बोरान जमाव के बाद, स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी ( 1 ई ) में बोरोफेन और ग्राफीन डोमेन के एक यौगिक की उपस्थिति दिखाई दी। छवि में भी दृश्यमान ग्राफीन के अंदर के क्षेत्र हैं, जिन्हें बाद में बोरोफेन के साथ ग्राफीन के रूप में पहचाना गया था (छवि जीआर / बी में दिखाया गया है)। इस क्षेत्र में, रैखिक तत्व भी स्पष्ट रूप से दिखाई देते हैं, तीन दिशाओं में उन्मुख होते हैं और 120 ° (पीले तीर) के कोण से अलग होते हैं।


चित्र संख्या 2

2 ई पर छवि, 1 ई की तरह, बोरान बयान के बाद ग्राफीन में स्थानीयकृत अंधेरे अवसाद (अवसाद) की उपस्थिति की पुष्टि करती है।

इन संरचनाओं की बेहतर जांच करने और उनकी उत्पत्ति का पता लगाने के लिए, एक और तस्वीर उसी क्षेत्र की ली गई थी, लेकिन नक्शे के उपयोग के साथ | dln I / dz (2 बी), जहां मैं टनलिंग करंट है, घ घनत्व है, और जेड जांच-नमूना (माइक्रोस्कोप सुई और नमूना के बीच का अंतर) का पृथक्करण है। इस तकनीक के अनुप्रयोग उच्च स्थानिक संकल्प के साथ छवियों को प्राप्त करने की अनुमति देता है। आप माइक्रोस्कोप की सुई पर सीओ या एच _{2 का} उपयोग भी कर सकते हैं।

छवि 2C एक CTM छवि है जिसकी सुई CO से कोट की गई थी। छवियों ए , बी और सी की तुलना से पता चलता है कि सभी परमाणु तत्वों को तीन आसन्न उज्ज्वल हेक्सागोन्स के रूप में परिभाषित किया जाता है जो दो अयोग्य निर्देश (छवियों में लाल और पीले त्रिकोण) में निर्देशित होते हैं।

इस क्षेत्र ( 2 डी ) की बढ़ी हुई छवियां इस बात की पुष्टि करती हैं कि ये तत्व बोरोन के डोपेंट के साथ दो ग्राफीन उप-रेखाओं पर कब्जा कर रहे हैं, जैसा कि सुपरिम्पोज्ड संरचनाओं द्वारा इंगित किया गया है।

माइक्रोस्कोप सुई की सीओ कोटिंग ने बोरोफेन शीट ( 2 ई ) की ज्यामितीय संरचना को प्रकट करना संभव बना दिया, जो कि सीओ कोटिंग के बिना सुई मानक (धातु) थे तो संभव नहीं होगा।


चित्र संख्या 3

बोरोफेन और ग्राफीन ( 3 ए ) के बीच पार्श्व हेटेरोनेटरफेस का गठन तब होना चाहिए जब बोरोफीन ग्रेफीन डोमेन के पास बढ़ता है जिसमें बोरान पहले से मौजूद है।

वैज्ञानिकों को याद है कि ग्राफीन-एचबीएन (ग्राफीन + बोरॉन नाइट्राइड) पर आधारित लेटरल हेटेरोनेटरफेस में जाली का मिलान होता है, और संक्रमण धातु डाइक्लेकोजेन के आधार पर हेटेरोजंक्शंस में सममित मिलान होता है। ग्राफीन / बोरोफेन के मामले में, स्थिति थोड़ी अलग है - उनमें जाली स्थिरांक या क्रिस्टल समरूपता के संदर्भ में न्यूनतम संरचनात्मक समानता है। हालांकि, इसके बावजूद, ग्राफीन / बोरोफेन लेटरल हेटेरोन्टरफेस ग्रैफ़न ( 3 ए ) के ज़िगज़ैग (जेडजेड) निर्देशों के साथ गठबंधन की गई बोरान पंक्ति (बी-पंक्ति) के निर्देशों के साथ लगभग पूर्ण परमाणु स्थिरता को दर्शाता है। चित्र 3 बी में हेट्रोइन्टरफेस के जेडजेड क्षेत्र की एक बढ़ी हुई छवि दिखाई देती है (बोरान-कार्बन सहसंयोजक बांडों के अनुरूप इंटरफेसियल तत्वों को नीले रेखाओं द्वारा दर्शाया गया है)।

चूंकि ग्राफीन की तुलना में बोरोफेन की वृद्धि कम तापमान पर होती है, इसलिए ग्राफीन डोमेन के किनारों में बोरोफेन के साथ हेटेरो इंटरफेस के निर्माण के दौरान उच्च गतिशीलता होने की संभावना नहीं है। इसलिए, लगभग एक सटीक रूप से सटीक हेट्रोइन्टरफेस बहुसंकेतन बोरॉन बॉन्ड के विभिन्न विन्यासों और विशेषताओं का परिणाम है। स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी ( 3 सी ) और डिफरेंशियल टनलिंग कंडक्टिविटी ( 3 डी ) के स्पेक्ट्रा से पता चलता है कि ग्राफीन से बोरोफेन तक इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण दृश्यमान राज्यों के बिना ~ 5 tun की दूरी पर होता है।

चित्र 3E , 3 डी में तीन धराशायी रेखाओं के साथ ले जाने वाली स्कैनिंग टनलिंग स्पेक्ट्रोस्कोपी के तीन स्पेक्ट्रा को दर्शाता है, जो इस बात की पुष्टि करता है कि यह छोटा इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण स्थानीय इंटरफेसियल संरचनाओं के लिए असंवेदनशील है और बोरोफेन-सिल्वर इंटरफेस पर तुलनात्मक है।


चित्र संख्या 4

ग्राफीन इंटरक्लेरेशन * का पहले भी बड़े पैमाने पर अध्ययन किया जा चुका है, लेकिन इंटरकलांट्स का वास्तविक 2 डी शीटों में बदलना अपेक्षाकृत दुर्लभ है।

अंतःक्षेपण * - अणु या अणुओं के समूह के अन्य अणुओं या समूहों के बीच प्रतिवर्ती समावेशन।

बोरोन के छोटे परमाणु त्रिज्या और ग्राफीन और एजी (111) के बीच कमजोर बातचीत बोरान के साथ ग्राफीन के संभावित अंतर्संबंध का सुझाव देती है। चित्रा 4 ए न केवल बोरॉन इंटरकल्लेशन का प्रमाण प्रदान करता है, बल्कि वर्टिकल बोरोफेन-ग्राफीन हेट्रोस्ट्रक्चर का निर्माण भी करता है, विशेष रूप से ग्राफीन से घिरा त्रिकोणीय डोमेन। इस त्रिकोणीय डोमेन पर देखे गए छत्ते की जाली ग्राफीन की उपस्थिति की पुष्टि करती है। हालाँकि, यह ग्राफीन आसपास के ग्राफीन ( 4V ) की तुलना में -50 meV पर राज्यों के निचले स्थानीय घनत्व को प्रदर्शित करता है। Ag (111) पर ग्राफीन की तुलना में, Ag (111) की सतह की स्थिति के अनुरूप dI / dV स्पेक्ट्रम ( 4C , ब्लू कर्व) में राज्यों के एक उच्च स्थानीय घनत्व के संकेतों की अनुपस्थिति बोरॉन वृद्धि का पहला प्रमाण है।

इसके अलावा, आंशिक अंतराल के लिए उम्मीद के मुताबिक, ग्राफीन जाली ग्राफीन और त्रिकोणीय क्षेत्र ( 4D - 4A पर आयताकार क्षेत्र से मेल खाती है, लाल बिंदीदार रेखा में परिचालित) के बीच पूरे पार्श्व इंटरफ़ेस के साथ निरंतर रहती है। एक माइक्रोस्कोप सुई पर सीओ का उपयोग करते हुए एक तस्वीर ने बोरान की संस्थागत अशुद्धियों की उपस्थिति की पुष्टि की ( 4 ई - एक पीली बिंदीदार रेखा से घिरा 4 ए के आयताकार क्षेत्र से मेल खाती है)।

विश्लेषण के दौरान किसी भी कोटिंग के बिना माइक्रोस्कोप सुई का भी उपयोग किया गया था। इस मामले में, 5 4 ( 4F और 4G ) की आवृत्ति के साथ एक आयामी रैखिक तत्वों के संकेत इंटरलेक्टेड ग्राफ़िकल डोमेन में प्रकट हुए थे। ये एक-आयामी संरचनाएं बोरोफन मॉडल में बोरॉन पंक्तियों से मिलती जुलती हैं। ग्राफीन से संबंधित बिंदुओं के सेट के अलावा, 4 जी पर छवि का फूरियर रूपांतरण 3 Å x 5 Å ( 4H ) के एक आयताकार जाली के अनुरूप ऑर्थोगोनल बिंदुओं की एक जोड़ी को प्रदर्शित करता है, जो कि बोरोफेन मॉडल के साथ उत्कृष्ट समझौते में है। इसके अलावा, रैखिक तत्वों ( 1E ) के जाली के मनाया ट्रिपल अभिविन्यास एक ही प्रचलित संरचना के साथ अच्छा समझौता है जिसमें बोरोफेन शीट के लिए मनाया जाता है।

ये सभी अवलोकनों में एजी के किनारों के पास बोरोफेन के साथ ग्राफीन के अंतर्संबंध को स्पष्ट रूप से इंगित करता है, जो कि ऊर्ध्वाधर बोरोफेन-ग्राफीन हेटोस्ट्रोस्ट्रक्चर के गठन की ओर जाता है, जो प्रारंभिक ग्राफीन कोटिंग को बढ़ाकर मुख्य रूप से महसूस किया जा सकता है।

4I 4H वर्टिकल हेटरोस्ट्रक्चर का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व है, जहां बोरान (गुलाबी तीर) की एक श्रृंखला की दिशा को ग्राफीन (काला तीर) की ज़िगज़ैग दिशा के साथ निकटता से जोड़ा जाता है, जिससे एक घूर्णी आनुपातिक ऊर्ध्वाधर हेटरोस्टेक्चर होता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं सुझाव देता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

इस अध्ययन से पता चला है कि ग्रेफीन के साथ पार्श्व और ऊर्ध्वाधर हेटोस्ट्रोस्ट्रक्चर बनाने में बोरोफेन काफी सक्षम है। इस तरह की प्रणालियों का उपयोग नैनो-प्रौद्योगिकी, लचीले और पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले नए प्रकार के दो-आयामी तत्वों के विकास के साथ-साथ नए प्रकार के अर्धचालकों में भी किया जा सकता है।

शोधकर्ता खुद मानते हैं कि उनका विकास इलेक्ट्रॉनिक्स से संबंधित प्रौद्योगिकी के लिए एक शक्तिशाली प्रेरणा हो सकता है। हालाँकि, यह कहना मुश्किल है कि उनके शब्द भविष्यवाणियाँ बनेंगे। फिलहाल, बहुत कुछ खोज, समझ और आविष्कार किया गया है ताकि उन विज्ञान कथाओं के विचार जो वैज्ञानिकों के दिमाग को भर दें, एक पूर्ण वास्तविकता बन जाते हैं।

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