突变是揭示进化奥秘的关键。 从最简单的生物到占主导地位的生物物种的发展道路已经持续了数千年。 但是，每经过十万年的发展，就会有一个巨大的飞跃”（查尔斯·泽维尔，X战警，2000年）。 如果我们丢弃漫画和电影中存在的所有科幻元素，那么X教授的话就很真实。 事物的发展在大多数时间都是一致进行的，但有时会发生跳跃，这对整个过程有巨大的影响。 这不仅适用于物种的进化，而且适用于技术的进化，其主要引擎是人，其研究和发明。 今天，我们将与您会面，这项研究的作者认为，这是纳米技术真正的进化飞跃。 美国西北大学的科学家如何设法创建一个新的二维异质结构，为什么选择石墨烯和硼芬作为基础，以及这种系统具有什么性质？ 研究小组的报告将告诉我们这一点。 走吧
学习基础
我们已经听到很多次的术语“石墨烯”-这是碳的二维修饰，由一层厚度为1个原子的碳原子组成。 但是Borofen极为罕见。 该术语是指仅由硼原子（B）组成的二维晶体。 第一次有人预测90年代中期存在硼芬的可能性，但实际上，这种结构直到2015年才获得。
硼芬的原子结构由三角形和六边形元素组成，是两中心和多中心平面内键之间相互作用的结果，这是具有电子缺陷的元素（包括硼）的非常特征。
*两中心键和多中心键是指化学键-表示分子或晶体稳定性的原子相互作用。 例如，当2个原子在彼此之间划分2个电子时发生2中心的2电子键，而2原子3的电子之间则出现2中心的3电子键。
从物理角度看，硼芬比石墨烯更耐用，更灵活。 还据信，硼芬结构可以有效地添加到电池中，因为硼芬具有高的比容量以及电子传导性和离子转移的独特性能。 但是，目前这只是一个理论。
作为
三价元素* ，硼具有至少10个
同素异形体* 。 在二维形式中，也观察到类似的
多态性* 。
三价元素*能够形成三个价键，三个价键。
同素异形体* -当一种化学元素可以表示为两种或更多种简单物质时。 例如，碳是金刚石，石墨烯，石墨，碳纳米管等。
多态性* -物质以不同晶体结构（多态变体）存在的能力。 在简单物质的情况下，该术语与同素异形体同义。
考虑到如此宽的多态性，人们会假设硼芬可能是产生新的二维异质结构的极佳候选者，因为硼键的不同构型应削弱匹配晶格的要求。 不幸的是，由于综合困难，较早时仅在理论水平上研究了这个问题。
对于从块状层状晶体获得的常规2D材料，可以使用机械样式实现垂直异质结构。 另一方面，二维横向异质结构是基于向上合成的。 原子精确的横向异质结构在解决控制异质结功能性方面具有巨大的潜力，但是，由于共价键的存在，不完美的晶格匹配通常会导致界面宽且无序。 因此，存在潜力，但在实施中也存在问题。
在这项工作中，研究人员能够将borofen和石墨烯整合到一个二维异质结构中。 尽管晶体晶格之间不匹配，并且硼芬和石墨烯之间存在对称性，但碳和硼在超高真空（UHV）中在Ag（111）衬底上的顺序沉积会导致具有预测的晶格排列的原子精确的横向异质界面以及垂直的异质界面。
学习准备
在研究异质结构之前，有必要制造异质结构。 在超高真空室中以1x10
-10 mbar的压力进行石墨烯和borofen的生长。
通过重复的Ar
+ （1 x 10
-5 mbar，能量800 eV，30分钟）的溅射循环和热退火（550°C，45分钟）纯化单晶Ag（111）基板，以获得原子清洁且平坦的Ag（111）表面）
石墨烯是通过电子束蒸发将直径为2.0 mm的纯石墨棒（99.997％）生长到加热到750°C的Ag（111）衬底上的，灯丝电流为〜1.6 A，加速电压为〜2 kV，产生的发射电流为〜70 mA碳通量约为40 nA。 腔室内的压力为1 x 10
-9 mbar。
通过电子束将干净的（99.9999％）硼棒蒸发到硼芬上，使其在Ag（111）上加热至400-500°C的亚单层石墨烯上。 辉光电流约为1.5 A，加速电压为1.75 kV，发射电流约为34 mA，硼通量约为10 nA。 在硼芬培养期间，室内压力约为2 x 10
-10 mbar。
研究成果
图片编号1图像
1A显示了生长的石墨烯的
STM *图像，其中使用
dI /
dV映射（
1B ）可以最佳地显示石墨烯域，其中
I和
V是隧穿电流和样品位移，
d是密度。
STM * -扫描隧道显微镜。
与Ag（111）衬底相比，样品
的dI /
dV图使得可以看到更高的石墨烯状态局部密度。 根据先前的研究，Ag（111）的表面态在石墨烯（
1C ）的
dI /
dV光谱中具有逐步向正能量移动的阶跃特性，这解释了石墨烯在0.3 eV时的局部局部密度更高。
在
1D图像中，我们可以看到单层石墨烯的结构，其中蜂窝格和
莫尔条纹的上层结构*清晰可见
* 。
上层结构*是结晶化合物的结构特征，该结构特征以一定间隔重复出现，从而形成具有不同交替周期的新结构。
云纹* -两个周期性网格图案的叠加。
在较低的温度下，生长会导致形成树枝状和有缺陷的石墨烯结构域。 由于石墨烯与下面的基底之间的弱相互作用，石墨烯相对于下面的Ag（111）的旋转取向不是唯一的。
硼沉积后，扫描隧道显微镜（
1E ）显示存在borofen和石墨烯结构域的化合物。 在图像中还可以看到石墨烯内部的区域，这些区域后来被识别为插入了硼芬的石墨烯（在图像
Gr / B中指示）。 在此区域中，线性元素也清晰可见，在三个方向上定向，并以120°的角度分开（黄色箭头）。
图片编号2像
1E一样，
2A上的图像确认了硼沉积后石墨烯中局部暗凹（凹陷）的出现。
为了更好地检查这些构造并找出其起源，在同一区域拍摄了另一张照片，但使用了地图| dln
I / dz | （2B），其中
I是隧穿电流，
d是密度，
z是探针-样品的距离（显微镜针与样品之间的间隙）。 该技术的应用允许获得具有高空间分辨率的图像。 您也可以在显微镜的针头上使用CO或H
2 。
图像
2C是其针头涂有CO的CTM图像。 图像
A ，
B和
C的比较显示，所有原子元素都被定义为在两个非等效方向（图像中的红色和黄色三角形）定向的三个相邻的明亮六边形。
该区域的放大图像（
2D ）确认这些元素与硼的掺杂剂一致，占据了两个石墨烯亚晶格，如叠加结构所示。
显微镜针头的CO涂层可以揭示硼芬片（
2E ）的几何结构，如果针是没有CO涂层的标准（金属）针，则不可能。
图片编号3当硼芬生长在已经存在硼的石墨烯域附近时，应在硼芬与石墨烯（
3A ）之间形成侧向异质界面。
科学家回忆说，基于石墨烯-hBN（石墨烯+氮化硼）的横向异质界面具有晶格匹配，基于过渡金属二卤化物的异质结具有对称匹配。 就石墨烯/硼烷而言，情况略有不同-就晶格常数或晶体对称性而言，它们具有最小的结构相似性。 然而，尽管如此，石墨烯/硼芬的横向异质界面显示出几乎完美的原子一致性，硼行（B行）的方向与石墨烯（
3A ）的之字形（ZZ）方向对齐。 图
3B显示了异质界面的ZZ区域的放大图像（与蓝碳共价键对应的界面元素由蓝线表示）。
由于硼芬的生长发生在比石墨烯更低的温度下，因此在与硼芬形成异质界面期间，石墨烯域的边缘不太可能具有高迁移率。 因此，几乎原子精确的异质界面可能是多中心硼键的各种构型和特性的结果。 扫描隧道光谱（
3C ）和差分隧道电导率（
3D ）的光谱表明，从石墨烯到硼苯的电子跃迁发生在约5Å的距离，没有可见的界面态。
图像
3E显示了沿3D中的三个虚线截取的三个扫描隧道光谱的光谱，这证实了这种短暂的电子跃迁对局部界面结构不敏感，并且与borofen-silver界面相当。
图片编号4石墨烯
插层*之前也已被广泛研究，但是将插层剂转换为真正的2D薄片的情况相对较少。
插层* -在其他分子或分子组之间可逆地包含一个分子或一组分子。
硼原子半径小以及石墨烯与Ag之间的弱相互作用（111）表明石墨烯可能与硼插层。 图
4A不仅提供了硼插层的证据，而且还提供了垂直的硼苯-石墨烯异质结构，尤其是被石墨烯包围的三角形畴的形成的证据。 在该三角形区域上观察到的蜂窝晶格证实了石墨烯的存在。 但是，与周围的石墨烯（
4V ）相比，该石墨烯在-50 meV处显示出较低的局部态密度。 与直接在Ag（111）上的石墨烯相比，在
dI /
dV光谱中没有对应于Ag（111）表面状态的高局部密度态的迹象（
4C ，蓝色曲线）是硼嵌入的第一个证据。
同样，如预期的部分插入，石墨烯晶格沿石墨烯与三角形区域之间的整个横向界面保持连续（
4D-对应于
4A处的矩形区域，用红色虚线圈出）。 在显微镜针上使用CO拍摄的照片还证实了硼取代杂质的存在（
4E-对应于由黄色虚线包围的
4A矩形区域）。
分析期间还使用了没有任何涂层的显微镜针。 在这种情况下，在嵌入的石墨烯域中显示出频率为5的一维线性元素（
4F和
4G ）的迹象。 这些一维结构类似于borofen模型中的硼行。 除了对应于石墨烯的一组点之外，在
4G上图像的傅立叶变换还显示一对正交点，它们对应于3Åx 5Å（
4H ）的矩形晶格，这与borofen模型非常吻合。 而且，所观察到的线性元素（
1E ）的晶格的三重取向与针对硼芬片观察到的相同的主要结构高度吻合。
所有这些观察结果都令人信服地表明，石墨烯与Ag边缘附近的borofen相互插入，因此导致形成垂直的borofen-graphene异质结构，这主要可以通过增加初始石墨烯涂层来实现。
图4I是
4H垂直异质结构的示意图，其中硼行的方向（粉红色箭头）与石墨烯的Z字形方向（黑色箭头）紧密对准，从而形成旋转比例的垂直异质结构。
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
这项研究表明，硼芬具有与石墨烯形成横向和纵向异质结构的能力。 这种系统可用于开发用于纳米技术，柔性和可穿戴电子设备以及新型半导体中的新型二维元件。
研究人员自己认为，他们的发展可以成为与电子相关的技术的强大动力。 但是，很难肯定地说他们的话会成为预言。 目前，仍有许多事情需要探索，理解和发明，以使那些充满科学家思想的科幻小说思想成为一个成熟的现实。
谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。 :)
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