Dueto bidimensional: criação de heteroestruturas de borofeno-grafeno

“Mutação é a chave para desvendar os mistérios da evolução. O caminho do desenvolvimento, desde o organismo mais simples até as espécies biológicas dominantes, vem ocorrendo há milênios. Mas após cada cem mil anos de evolução, há um grande salto em frente ”(Charles Xavier, X-Men, 2000). Se descartarmos todos os elementos de ficção científica presentes nos quadrinhos e nos filmes, as palavras do professor X são bem verdadeiras. O desenvolvimento de algo ocorre de maneira uniforme na maioria das vezes, mas às vezes ocorrem saltos que têm um enorme impacto em todo o processo. Isso se aplica não apenas à evolução das espécies, mas também à evolução da tecnologia, cujo principal mecanismo são as pessoas, suas pesquisas e invenções. Hoje, encontraremos um estudo que, segundo seus autores, é um verdadeiro salto evolutivo na nanotecnologia. Como os cientistas da Northwestern University (EUA) conseguiram criar uma nova heteroestrutura bidimensional, por que o grafeno e o borofeno foram escolhidos como base e que propriedades esse sistema pode ter? O relatório do grupo de pesquisa nos falará sobre isso. Vamos lá

Base de estudo

O termo "grafeno" que ouvimos muitas vezes - é uma modificação bidimensional do carbono, consistindo de uma camada de átomos de carbono com uma espessura de 1 átomo. Mas Borofen é extremamente raro. Este termo refere-se a um cristal bidimensional constituído apenas por átomos de boro (B). Pela primeira vez, a possibilidade da existência de borofen foi prevista em meados dos anos 90, mas, na prática, essa estrutura foi obtida apenas em 2015.

A estrutura atômica do borofeno consiste em elementos triangulares e hexagonais e é uma conseqüência da interação entre ligações intraplanares de dois centros e multicêntricos, o que é muito característico de elementos com uma deficiência de elétrons, que inclui o boro.

* Por ligações de dois centros e multicêntricos, entendemos ligações químicas - interações de átomos que caracterizam a estabilidade de uma molécula ou cristal como uma única estrutura. Por exemplo, uma ligação de dois elétrons de dois centros ocorre quando 2 átomos dividem 2 elétrons entre si e uma ligação de três elétrons de dois centros - 2 átomos e 3 elétrons, etc.

Do ponto de vista físico, o borofen pode ser mais durável e flexível que o grafeno. Acredita-se também que as estruturas de borofeno podem ser um complemento eficaz para as baterias, uma vez que o borofeno possui uma alta capacidade específica e propriedades únicas de condutividade eletrônica e transferência de íons. No entanto, no momento isso é apenas uma teoria.

Sendo um elemento trivalente * , o boro possui pelo menos 10 alótropos * . Em uma forma bidimensional, um polimorfismo semelhante * também é observado.

O elemento trivalente * é capaz de formar três ligações covalentes, cuja valência é três.

Alotropia * - quando um elemento químico pode ser representado como duas ou mais substâncias simples. Como exemplo, carbono é diamante, grafeno, grafite, nanotubos de carbono, etc.

Polimorfismo * - a capacidade de uma substância existir em diferentes estruturas cristalinas (modificações polimórficas). No caso de substâncias simples, este termo é sinônimo de alotropia.

Dado um polimorfismo tão amplo, surge o pressuposto de que o borofen pode ser um excelente candidato para a criação de novas heteroestruturas bidimensionais, uma vez que diferentes configurações das ligações de boro devem enfraquecer os requisitos para a correspondência da estrutura cristalina. Infelizmente, anteriormente essa questão foi estudada exclusivamente no nível teórico devido a dificuldades na síntese.

Para materiais 2D convencionais obtidos a partir de cristais em camadas a granel, as heteroestruturas verticais podem ser realizadas usando estilo mecânico. Por outro lado, as heteroestruturas laterais bidimensionais são baseadas em síntese ascendente. Heteroestruturas laterais atomicamente precisas têm grande potencial na resolução de problemas com o controle da funcionalidade de uma heterojunção, no entanto, devido à ligação covalente, a correspondência de rede imperfeita geralmente leva a interfaces amplas e desordenadas. Portanto, existe potencial, mas também há problemas em sua implementação.

Neste trabalho, os pesquisadores foram capazes de integrar o borofeno e o grafeno em uma heteroestrutura bidimensional. Apesar da incompatibilidade entre as redes cristalográficas e a simetria entre borofeno e grafeno, a deposição seqüencial de carbono e boro em um substrato Ag (111) em vácuo ultra-alto (UHV) leva a heterointerfaces laterais quase atomicamente precisas com alinhamentos de rede previstos, bem como a heterointerfaces verticais.

Preparação do estudo

Antes de estudar a heteroestrutura, era necessário fabricá-la. O crescimento de grafeno e borofeno foi realizado em uma câmara de vácuo ultra-alta com uma pressão de 1x10-10 mbar.

O substrato de cristal único Ag (111) foi purificado por ciclos repetidos de pulverização de Ar ⁺ (1 x 10 ^-5 mbar, energia 800 eV, 30 minutos) e recozimento térmico (550 ° C, 45 minutos) para obter uma superfície plana e plana de Ag (111). )

O grafeno foi cultivado por evaporação por feixe de elétrons de uma haste de grafite pura (99,997%) de 2,0 mm de diâmetro sobre um substrato Ag (111) aquecido a 750 ° C a uma corrente de filamento de ~ 1,6 A e uma tensão de aceleração de ~ 2 kV, que fornece uma corrente de emissão de ~ 70 mA e um fluxo de carbono de ~ 40 nA. A pressão na câmara era de 1 x 10 ^-9 mbar.

O borofen foi cultivado por evaporação por feixe de elétrons de uma haste de boro limpa (99,9999%) sobre um grafeno de submonocamada aquecido a 400-500 ° C em Ag (111). A corrente de brilho era de ~ 1,5 A e a tensão de aceleração era de 1,75 kV, o que fornece uma corrente de emissão de ~ 34 mA e um fluxo de boro de ~ 10 nA. A pressão na câmara durante o cultivo de borofeno foi de aproximadamente 2 x ^10-10 mbar.

Resultados da pesquisa

Imagem Nº 1

A Imagem 1A mostra um instantâneo STM * do grafeno cultivado, onde os domínios do grafeno são melhor visualizados usando o mapa dI / dV ( 1B ), onde I e V são a corrente de tunelamento e o deslocamento da amostra ed é a densidade.

STM * - microscópio de varredura de tunelamento.

Os mapas dI / dV da amostra permitiram observar uma densidade local mais alta dos estados de grafeno em comparação com o substrato Ag (111). De acordo com estudos anteriores, o estado da superfície de Ag (111) tem uma característica progressiva deslocada em direção a energias positivas no espectro dI / dV do grafeno ( 1C ), o que explica a maior densidade local dos estados de grafeno em 1 V a 0,3 eV.

Na imagem 1D , podemos ver a estrutura do grafeno de camada única, onde a estrutura do favo de mel e a superestrutura do moiré * são claramente visíveis * .

Superestrutura * é uma característica estrutural de um composto cristalino que se repete em um determinado intervalo e, assim, cria uma nova estrutura com um período de alternância diferente.

Moiré * - sobreposição de dois padrões de malha periódicos.

Em temperaturas mais baixas, o crescimento leva à formação de domínios dendríticos e defeituosos do grafeno. Devido a interações fracas entre o grafeno e o substrato subjacente, o alinhamento rotacional do grafeno em relação ao Ag (111) subjacente não é exclusivo.

Após a deposição de boro, a microscopia de varredura por tunelamento ( 1E ) mostrou a presença de um composto dos domínios borofeno e grafeno. Também são visíveis na imagem as áreas dentro do grafeno, que mais tarde foram identificadas como grafeno intercalado com borofeno (indicado na imagem Gr / B ). Nesta área, os elementos lineares também são claramente visíveis, orientados em três direções e separados por um ângulo de 120 ° (setas amarelas).


Imagem No. 2

A imagem em 2A , como 1E , confirma o aparecimento de depressões escuras localizadas (depressões) no grafeno após a deposição de boro.

Para melhor examinar essas formações e descobrir sua origem, outra foto foi tirada da mesma área, mas com o uso de mapas | dln I / dz | (2B), onde I é a corrente de tunelamento, d é a densidade e z é a separação da amostra da sonda (o espaço entre a agulha do microscópio e a amostra). A aplicação desta técnica permite obter imagens com alta resolução espacial. Você também pode usar CO ou H2 na agulha de um microscópio.

A imagem 2C é uma imagem CTM cuja agulha foi revestida com CO. A comparação das imagens A , B e C mostra que todos os elementos atômicos são definidos como três hexágonos brilhantes adjacentes, direcionados em duas direções não equivalentes (triângulos vermelhos e amarelos nas imagens).

Imagens ampliadas desta região ( 2D ) confirmam que esses elementos estão de acordo com os dopantes de boro, ocupando dois sublátidos de grafeno, como indicado por estruturas sobrepostas.

O revestimento de CO da agulha do microscópio permitiu revelar a estrutura geométrica da folha de borofeno ( 2E ), o que seria impossível se a agulha fosse padrão (metal) sem revestimento de CO.


Imagem No. 3

A formação de heterointerfaces laterais entre borofen e grafeno ( 3A ) deve ocorrer quando o borofen cresce próximo a domínios de grafeno nos quais o boro já está presente.

Os cientistas lembram que as heterointerfaces laterais baseadas em grafeno-hBN (grafeno + nitreto de boro) têm correspondência de treliça, e heterojunções baseadas em dichalcogenetos de metais de transição têm correspondência de simetria. No caso do grafeno / borofeno, a situação é um pouco diferente - eles têm uma similaridade estrutural mínima em termos de constantes de treliça ou simetria de cristal. No entanto, apesar disso, a heterointerface lateral de grafeno / borofeno mostra consistência atômica quase perfeita, com as direções da linha de boro (linha B) alinhadas com as direções em zigue-zague (ZZ) do grafeno ( 3A ). A Figura 3B mostra uma imagem ampliada da região ZZ da heterointerface (os elementos interfaciais correspondentes às ligações covalentes boro-carbono são indicados por linhas azuis).

Como o crescimento do borofeno ocorre a uma temperatura mais baixa em comparação com o grafeno, é improvável que as bordas do domínio do grafeno tenham alta mobilidade durante a formação de uma interface hetero com o borofeno. Portanto, uma heterointerface quase atomicamente precisa é provavelmente o resultado de várias configurações e características das ligações boro multicêntricas. Os espectros da espectroscopia de varredura de tunelamento ( 3C ) e da condutividade diferencial de tunelamento ( 3D ) mostram que a transição eletrônica do grafeno para o borofeno ocorre a uma distância de ~ 5 Å sem os estados visíveis da interface.

A Figura 3E mostra três espectros de espectroscopia de tunelamento de varredura realizados ao longo de três linhas tracejadas em 3D, que confirmam que essa curta transição eletrônica é insensível às estruturas interfaciais locais e é comparável à das interfaces borofen-prata.


Imagem No. 4

A intercalação de grafeno * também foi extensivamente estudada anteriormente, mas a conversão de intercalantes em folhas 2D verdadeiras é relativamente rara.

Intercalação * - a inclusão reversível de uma molécula ou grupo de moléculas entre outras moléculas ou grupos de moléculas.

O pequeno raio atômico do boro e a fraca interação entre o grafeno e o Ag (111) sugerem uma possível intercalação do grafeno com o boro. A Figura 4A fornece evidência não apenas da intercalação de boro, mas também da formação de heteroestruturas verticais de borofeno-grafeno, especialmente domínios triangulares cercados por grafeno. A estrutura do favo de mel observada neste domínio triangular confirma a presença de grafeno. No entanto, este grafeno exibe uma densidade local mais baixa de estados a -50 meV em comparação com o grafeno circundante ( 4V ). Comparado ao grafeno diretamente em Ag (111), a ausência de sinais de alta densidade local de estados no espectro dI / dV ( 4C , curva azul) correspondente ao estado superficial de Ag (111) é a primeira evidência de intercalação de boro.

Além disso, como esperado para intercalação parcial, a rede de grafeno permanece contínua ao longo de toda a interface lateral entre o grafeno e a região triangular ( 4D - corresponde à região retangular em 4A , circulada em uma linha pontilhada vermelha). Uma imagem usando CO em uma agulha de microscópio também confirmou a presença de impurezas substitucionais do boro ( 4E - corresponde a uma região retangular de 4A cercada por uma linha pontilhada amarela).

Agulhas de microscópio sem revestimento também foram usadas durante a análise. Neste caso, sinais de elementos lineares unidimensionais com uma frequência de 5 Å ( 4F e 4G ) foram revelados em domínios de grafeno intercalados. Essas estruturas unidimensionais se assemelham a linhas de boro no modelo borofen. Além do conjunto de pontos correspondente ao grafeno, a transformação de Fourier da imagem em 4G exibe um par de pontos ortogonais correspondentes a uma rede retangular de 3 Å x 5 Å ( 4H ), o que é perfeitamente consistente com o modelo borofen. Além disso, a tripla orientação observada da treliça de elementos lineares ( 1E ) está em boa concordância com a mesma estrutura predominante observada para as folhas de borofeno.

Todas essas observações indicam de forma convincente a intercalação de grafeno com borofeno próximo às bordas de Ag, o que leva à formação de heteroestruturas verticais de borofen-grafeno, que podem ser realizadas predominantemente através do aumento do revestimento inicial de grafeno.

4I é uma representação esquemática de uma heteroestrutura vertical 4H , em que a direção da linha de boro (seta rosa) está alinhada com a direção em zigue-zague do grafeno (seta preta), formando assim uma heteroestrutura vertical rotacionalmente proporcional.

Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo, recomendo que você analise o relatório dos cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Este estudo mostrou que o borofeno é capaz de formar heteroestruturas laterais e verticais com grafeno. Tais sistemas podem ser usados ​​no desenvolvimento de novos tipos de elementos bidimensionais usados ​​em nanotecnologia, eletrônica flexível e vestível, bem como em novos tipos de semicondutores.

Os próprios pesquisadores acreditam que seu desenvolvimento pode ser um poderoso impulso para a tecnologia relacionada à eletrônica. No entanto, é difícil dizer com certeza que suas palavras se tornarão proféticas. No momento, ainda há muito a ser explorado, compreendido e inventado, para que as idéias de ficção científica que enchem a mente dos cientistas se tornem uma realidade completa.

Obrigado pela atenção, continuem curiosos e tenham uma boa semana de trabalho, pessoal. :)

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