Duet dua dimensi: pembuatan heterostruktur borofen-graphene

“Mutasi adalah kunci untuk mengungkap misteri evolusi. Jalur pengembangan dari organisme paling sederhana ke spesies biologis dominan telah berlangsung selama ribuan tahun. Tetapi setelah setiap seratus ribu tahun dalam evolusi, ada lompatan yang tajam ke depan ”(Charles Xavier, X-Men, 2000). Jika kita membuang semua elemen fiksi ilmiah yang ada dalam komik dan film, maka kata-kata Profesor X cukup benar. Pengembangan sesuatu berlangsung seragam hampir sepanjang waktu, tetapi kadang-kadang terjadi lompatan yang berdampak besar pada keseluruhan proses. Ini berlaku tidak hanya pada evolusi spesies, tetapi juga pada evolusi teknologi, yang mesin utamanya adalah manusia, penelitian dan penemuannya. Hari ini kita akan bertemu dengan Anda sebuah penelitian yang, menurut penulisnya, adalah lompatan evolusi nyata dalam nanoteknologi. Bagaimana para ilmuwan dari Northwestern University (USA) berhasil menciptakan heterostruktur dua dimensi yang baru, mengapa graphene dan borofen dipilih sebagai dasar, dan sifat apa yang dimiliki sistem seperti itu? Laporan kelompok riset akan memberi tahu kami tentang hal ini. Ayo pergi.

Dasar studi

Istilah "graphene" telah kita dengar berkali-kali - ini adalah modifikasi karbon dua dimensi, yang terdiri dari lapisan atom karbon dengan ketebalan 1 atom. Tetapi Borofen sangat jarang. Istilah ini mengacu pada kristal dua dimensi yang hanya terdiri dari atom boron (B). Untuk pertama kalinya, kemungkinan keberadaan borofen diprediksi kembali pada pertengahan 90-an, tetapi dalam praktiknya, struktur ini diperoleh hanya pada tahun 2015.

Struktur atom borofen terdiri dari unsur-unsur segitiga dan heksagonal dan merupakan konsekuensi dari interaksi antara dua-pusat dan ikatan antar-bidang multicenter, yang sangat khas dari unsur-unsur dengan kekurangan elektron, yang meliputi boron.

* Dengan ikatan dua pusat dan multicenter yang kami maksud adalah ikatan kimia - interaksi atom yang mengkarakterisasi stabilitas molekul atau kristal sebagai struktur tunggal. Sebagai contoh, ikatan dua elektron dua pusat terjadi ketika 2 atom membagi 2 elektron di antara mereka, dan ikatan tiga elektron dua pusat - 2 atom dan 3 elektron, dll.

Dari sudut pandang fisik, borofen bisa lebih tahan lama dan fleksibel daripada graphene. Juga diyakini bahwa struktur borofen dapat menjadi tambahan yang efektif untuk baterai, karena borofen memiliki kapasitas spesifik yang tinggi dan sifat unik dari konduktivitas elektronik dan transfer ion. Namun, saat ini ini hanya teori.

Menjadi elemen trivalen * , boron memiliki setidaknya 10 alotrop * . Dalam bentuk dua dimensi, polimorfisme * yang serupa juga diamati.

Unsur trivalen * mampu membentuk tiga ikatan kovalen, valensi yang tiga.

Alotropi * - ketika satu elemen kimia dapat direpresentasikan sebagai dua atau lebih zat sederhana. Sebagai contoh, karbon adalah berlian, graphene, graphite, carbon nanotube, dll.

Polimorfisme * - kemampuan suatu zat untuk eksis dalam struktur kristal yang berbeda (modifikasi polimorfik). Dalam hal zat sederhana, istilah ini identik dengan alotropi.

Dengan polimorfisme yang begitu luas, muncul asumsi bahwa borofen mungkin merupakan kandidat yang sangat baik untuk membuat heterostruktur dua dimensi baru, karena konfigurasi berbeda dari ikatan boron harus melemahkan persyaratan untuk mencocokkan kisi kristal. Sayangnya, sebelumnya pertanyaan ini dipelajari secara eksklusif di tingkat teoritis karena kesulitan dalam sintesis.

Untuk bahan 2D konvensional yang diperoleh dari kristal berlapis massal, heterostruktur vertikal dapat direalisasikan menggunakan gaya mekanik. Di sisi lain, heterostruktur lateral dua dimensi didasarkan pada sintesis ke atas. Heterostruktur lateral yang akurat secara atomic memiliki potensi besar dalam menyelesaikan masalah dengan mengontrol fungsi heterojunction, namun, karena ikatan kovalen, pencocokan kisi yang tidak sempurna biasanya mengarah ke antarmuka yang lebar dan tidak teratur. Karena itu, ada potensi, tetapi ada juga masalah dalam implementasinya.

Dalam karya ini, para peneliti dapat mengintegrasikan borofen dan graphene ke dalam satu heterostruktur dua dimensi. Meskipun ketidakcocokan antara kisi kristalografi dan simetri antara borofen dan graphene, deposisi karbon dan boron secara berurutan pada substrat Ag (111) dalam vakum ultrahigh (UHV) mengarah ke heterointerfaces lateral yang akurat secara atomis dengan perataan kisi yang diprediksi, serta heterointerfaces yang diprediksi vertikal.

Persiapan belajar

Sebelum mempelajari heterostruktur, perlu untuk membuatnya. Pertumbuhan graphene dan borofen dilakukan di ruang vakum ultrahigh dengan tekanan 1x10 ^-10 mbar.

Substrat Ag kristal tunggal (111) dimurnikan dengan siklus sputtering berulang Ar ⁺ (1 x 10 ^-5 mbar, energi 800 eV, 30 menit) dan anil termal (550 ° C, 45 menit) untuk mendapatkan permukaan Ag yang bersih secara atomik dan datar (111). )

Graphene ditumbuhkan oleh penguapan berkas elektron dari batang grafit murni (99,997%) dengan diameter 2,0 mm ke substrat Ag (111) yang dipanaskan hingga 750 ° C pada arus filamen ~ 1,6 A dan tegangan percepatan ~ 2 kV, yang memberikan arus emisi ~ 70 mA dan fluks karbon ~ 40 nA. Tekanan di ruangan itu 1 x 10 ^-9 mbar.

Borofen ditumbuhkan dengan penguapan berkas elektron dari batang boron yang bersih (99,9999%) ke dalam graphene submonolayer yang dipanaskan hingga 400-500 ° Ag (111). Arus cahaya adalah ~ 1,5 A, dan tegangan akselerasi adalah 1,75 kV, yang memberikan arus emisi ~ 34 mA dan fluks boron ~ 10 nA. Tekanan dalam ruang selama budidaya borofen adalah sekitar 2 x 10 ^-10 mbar.

Hasil penelitian

Gambar No. 1

Gambar 1A menunjukkan snapshot STM * dari graphene yang tumbuh, di mana domain graphene paling baik divisualisasikan menggunakan peta dI / dV ( 1B ), di mana I dan V adalah arus tunneling dan perpindahan sampel, dan d adalah densitas.

STM * - pemindaian mikroskop tunneling.

Peta dI / dV sampel memungkinkan untuk melihat kepadatan lokal yang lebih tinggi dari keadaan graphene dibandingkan dengan substrat Ag (111). Sesuai dengan penelitian sebelumnya, keadaan permukaan Ag (111) memiliki karakteristik bertahap beralih ke energi positif dalam spektrum dI / dV dari graphene ( 1C ), yang menjelaskan kepadatan keadaan graphene lokal yang lebih tinggi sebesar 1 V pada 0,3 eV.

Pada gambar 1D , kita dapat melihat struktur graphene single-layer, di mana kisi sarang lebah dan struktur atas moire * terlihat jelas * .

Superstruktur * adalah fitur struktural dari senyawa kristal yang berulang pada interval tertentu dan dengan demikian menciptakan struktur baru dengan periode pergantian yang berbeda.

Moire * - hamparan dua pola mesh periodik satu sama lain.

Pada suhu yang lebih rendah, pertumbuhan mengarah pada pembentukan domain graphene dendritik dan cacat. Karena interaksi yang lemah antara graphene dan substrat yang mendasari, penyelarasan rotasi graphene sehubungan dengan Ag yang mendasari (111) tidak unik.

Setelah pengendapan boron, pemindaian tunneling microscopy ( 1E ) menunjukkan adanya senyawa domain borofen dan graphene. Juga terlihat pada gambar adalah area di dalam graphene, yang kemudian diidentifikasi sebagai graphene yang diselingi dengan borofen (ditunjukkan pada gambar Gr / B ). Di daerah ini, elemen linier juga terlihat jelas, berorientasi pada tiga arah dan dipisahkan oleh sudut 120 ° (panah kuning).


Gambar No. 2

Gambar pada 2A , seperti 1E , mengkonfirmasikan penampilan depresi gelap lokal (depresi) dalam graphene setelah pengendapan boron.

Untuk memeriksa formasi ini dengan lebih baik dan mengetahui asalnya, gambar lain diambil dari area yang sama, tetapi dengan penggunaan peta | dln I / dz | (2B), di mana I adalah arus tunneling, d adalah densitas, dan z adalah pemisahan probe-sampel (celah antara jarum mikroskop dan sampel). Penerapan teknik ini memungkinkan mendapatkan gambar dengan resolusi spasial tinggi. Anda juga dapat menggunakan CO atau H ₂ pada jarum mikroskop.

Gambar 2C adalah gambar CTM yang jarumnya dilapisi dengan CO. Perbandingan gambar A , B dan C menunjukkan bahwa semua elemen atom didefinisikan sebagai tiga segi enam terang yang berdekatan yang diarahkan dalam dua arah yang tidak sepadan (segitiga merah dan kuning pada gambar).

Gambar yang diperbesar dari wilayah ini ( 2D ) mengkonfirmasi bahwa elemen-elemen ini sesuai dengan dopan boron, yang menempati dua sublattika graphene, seperti yang ditunjukkan oleh struktur yang dilapiskan.

Lapisan CO jarum mikroskop memungkinkan untuk mengungkapkan struktur geometrik lembar borofen ( 2E ), yang tidak akan mungkin terjadi jika jarum standar (logam) tanpa lapisan CO.


Gambar No. 3

Pembentukan heterointerfaces lateral antara borofen dan graphene ( 3A ) harus terjadi ketika borofen tumbuh dekat domain graphene di mana boron sudah ada.

Para ilmuwan ingat bahwa heterointerfaces lateral berdasarkan graphene-hBN (graphene + boron nitride) memiliki pencocokan kisi, dan heterojunctions berdasarkan transisi logam dichalcogenides memiliki pencocokan simetri. Dalam kasus graphene / borophene, situasinya sedikit berbeda - mereka memiliki kesamaan struktural minimal dalam hal konstanta kisi atau simetri kristal. Namun, meskipun demikian, heterointerface lateral graphene / borofen menunjukkan konsistensi atom yang hampir sempurna, dengan arah baris boron (B-row) sejajar dengan arah graphene ( 3A ) zigzag (ZZ). Gambar 3B menunjukkan gambar yang diperbesar dari daerah ZZ dari heterointerface (elemen antarmuka yang sesuai dengan ikatan kovalen boron-karbon ditunjukkan oleh garis biru).

Karena pertumbuhan borofen terjadi pada suhu yang lebih rendah dibandingkan dengan graphene, tepi-tepi dari domain graphene tidak mungkin memiliki mobilitas tinggi selama pembentukan antarmuka hetero dengan borofen. Oleh karena itu, heterointerface yang hampir secara atomik mungkin merupakan hasil dari berbagai konfigurasi dan karakteristik ikatan boron multicenter. Spektrum scanning tunneling spectroscopy ( 3C ) dan diferensial tunneling conductivity ( 3D ) menunjukkan bahwa transisi elektronik dari graphene ke borophene terjadi pada jarak ~ 5 Å tanpa keadaan antarmuka yang terlihat.

Gambar 3E menunjukkan tiga spektrum pemindaian spektroskopi tunneling yang diambil sepanjang tiga garis putus-putus dalam 3D, yang mengkonfirmasi bahwa transisi elektronik pendek ini tidak peka terhadap struktur antarmuka lokal dan sebanding dengan yang pada antarmuka borofen-perak.


Gambar No. 4

Interkalasi grafena * juga telah dipelajari secara luas sebelumnya, tetapi konversi interkalasi ke dalam lembar 2D sejati relatif jarang.

Interkalasi * - penyertaan molekul atau kelompok molekul yang dapat dibalik di antara molekul atau kelompok molekul lainnya.

Jari-jari atom kecil boron dan interaksi lemah antara graphene dan Ag (111) menunjukkan kemungkinan interkalasi graphene dengan boron. Gambar 4A memberikan bukti tidak hanya interkalasi boron, tetapi juga pembentukan heterostruktur borophene-graphene vertikal, terutama domain segitiga yang dikelilingi oleh graphene. Kisi honeycomb yang diamati pada domain segitiga ini menegaskan keberadaan graphene. Namun, graphene ini menunjukkan kepadatan lokal yang lebih rendah pada -50 meV dibandingkan dengan graphene sekitarnya ( 4V ). Dibandingkan dengan graphene langsung pada Ag (111), tidak adanya tanda-tanda kepadatan lokal yang tinggi dari keadaan dalam spektrum dI / dV ( 4C , kurva biru) yang berhubungan dengan keadaan permukaan Ag (111) adalah bukti pertama interkalasi boron.

Juga, seperti yang diharapkan untuk interkalasi parsial, kisi graphene tetap kontinu sepanjang antarmuka lateral antara graphene dan wilayah segitiga ( 4D - sesuai dengan wilayah persegi panjang di 4A , dilingkari dalam garis titik-titik merah). Sebuah gambar menggunakan CO pada jarum mikroskop juga mengkonfirmasi keberadaan pengotor substitusi boron ( 4E - sesuai dengan wilayah persegi 4A yang dikelilingi oleh garis putus-putus kuning).

Jarum mikroskop tanpa lapisan juga digunakan selama analisis. Dalam hal ini, tanda-tanda elemen linear satu dimensi dengan frekuensi 5 Å ( 4F dan 4G ) terungkap dalam domain graphene yang diselingi. Struktur satu dimensi ini menyerupai baris boron dalam model borofen. Selain himpunan titik yang sesuai dengan graphene, transformasi Fourier dari gambar pada 4G menampilkan sepasang titik ortogonal yang sesuai dengan kisi persegi 3 Å x 5 Å ( 4H ), yang sangat sesuai dengan model borofen. Selain itu, orientasi rangkap yang diamati dari kisi elemen linier ( 1E ) sesuai dengan struktur yang sama yang diamati untuk lembaran borofen.

Semua pengamatan ini meyakinkan menunjukkan interkalasi graphene dengan borofen di dekat tepi Ag, yang karena itu mengarah pada pembentukan heterostruktur borofen-graphene vertikal, yang dapat direalisasikan secara dominan dengan meningkatkan lapisan graphene awal.

4I adalah representasi skematis dari heterostruktur vertikal 4H , di mana arah serangkaian boron (panah merah muda) sangat selaras dengan arah zigzag graphene (panah hitam), sehingga membentuk heterostruktur vertikal proporsional secara rotasi.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Penelitian ini menunjukkan bahwa borofen cukup mampu membentuk heterostruktur lateral dan vertikal dengan graphene. Sistem seperti itu dapat digunakan dalam pengembangan tipe baru elemen dua dimensi yang digunakan dalam nanoteknologi, elektronik fleksibel dan wearable, serta dalam tipe baru semikonduktor.

Para peneliti sendiri percaya bahwa perkembangan mereka dapat menjadi dorongan kuat untuk teknologi yang terkait dengan elektronik. Namun, sulit untuk mengatakan dengan pasti bahwa kata-kata mereka akan menjadi nubuat. Pada saat ini, masih banyak yang harus dieksplorasi, dipahami, dan diciptakan sehingga ide-ide fiksi ilmiah yang memenuhi pikiran para ilmuwan menjadi kenyataan sepenuhnya.

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan menempatkan pesanan atau merekomendasikannya kepada teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps mulai dari $ 20 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda! Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?