Borophene skrider frem som 2-D materialeplatform

Borophen - todimensionelle (2-D) atom-tynde ark af bor, et kemisk element, der traditionelt findes i glasfiberisolering - er alt andet end kedeligt. Selvom bor er en ikke-metallisk halvleder i sin bulk (3-D) form, det bliver en metallisk leder i 2-D. Borofen er ekstremt fleksibel, stærk, og let - endnu mere end dens kulstofbaserede analog, grafen. Disse unikke elektroniske og mekaniske egenskaber gør borophen til en lovende materialeplatform for næste generations elektroniske enheder såsom wearables, biomolekyle sensorer, lysdetektorer, og kvantecomputere.

Nu, fysikere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Yale University har syntetiseret borophen på kobbersubstrater med stort areal (i størrelse fra 10 til 100 mikrometer) enkeltkrystaldomæner (til reference, en hårstrå er omkring 100 mikrometer bred). Tidligere, kun nanometer-størrelse single-crystal flager af borofen var blevet produceret. Fremskridtet, rapporteret den 3. december in Natur nanoteknologi , repræsenterer et vigtigt skridt i at muliggøre praktiske borofenbaserede apparater.

For elektroniske ansøgninger, Enkeltkrystaller af høj kvalitet - periodiske arrangementer af atomer, der fortsætter gennem hele krystalgitteret uden grænser eller defekter - skal fordeles over store områder af overfladematerialet (substratet), som de dyrkes på. For eksempel, nutidens mikrochips bruger enkeltkrystaller af silicium og andre halvledere. Fremstilling af enheder kræver også en forståelse af, hvordan forskellige substrater og vækstbetingelser påvirker et materiales krystalstruktur, som bestemmer dens egenskaber.

"Vi øgede størrelsen af ​​enkeltkrystal-domænerne med en faktor på en million, " sagde medforfatter og projektleder Ivan Bozovic, seniorforsker og Molecular Beam Epitaxy Group Leader i Brookhaven Lab's Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) afdeling og adjungeret professor i anvendt fysik ved Yale University. "Store domæner er nødvendige for at fremstille næste generations elektroniske enheder med høj elektronmobilitet. Elektroner, der let og hurtigt kan bevæge sig gennem en krystalstruktur, er nøglen til at forbedre enhedens ydeevne."

Et nyt 2-D materiale

Siden opdagelsen af ​​grafen i 2004 - et enkelt ark af kulstofatomer, som kan skrælles fra grafit, kernekomponenten i blyanter, med scotch tape – forskere har været på jagt efter andre 2-D materialer med bemærkelsesværdige egenskaber. De kemiske bindinger mellem kulstofatomer, der giver grafen sin styrke, gør det vanskeligt at manipulere dens struktur.

Teoretikere forudsagde, at bor (ved siden af ​​kulstof i det periodiske system, med en elektron mindre) aflejret på et passende valgt substrat kunne danne et 2-D-materiale, der ligner grafen. Men denne forudsigelse blev ikke eksperimentelt bekræftet før for tre år siden, da videnskabsmænd syntetiserede borophen for allerførste gang. De aflejrede bor på sølvsubstrater under ultrahøjvakuumforhold gennem molekylær stråleepitaksi (MBE), en præcist kontrolleret atom-lag-for-lag krystalvækstteknik. Kort efter, en anden gruppe videnskabsmænd dyrkede borophen på sølv, men de foreslog en helt anden krystalstruktur.

"Borophen ligner strukturelt grafen, med et sekskantet netværk lavet af bor (i stedet for kulstof) atomer på hver af de seks hjørner, der definerer sekskanten, " sagde Bozovic. "Men, borophen er anderledes ved, at det periodisk har et ekstra boratom i midten af ​​sekskanten. Krystalstrukturen har en tendens til at være teoretisk stabil, når omkring fire ud af hver fem midterpositioner er besat, og en er ledig."

Ifølge teorien, mens antallet af ledige stillinger er fast, deres arrangement er ikke. Så længe de ledige stillinger er fordelt på en måde, der opretholder den mest stabile (laveste energi) struktur, de kan omarrangeres. På grund af denne fleksibilitet, borophen kan have flere konfigurationer.

Et lille skridt i retning af enhedsfabrikation

I dette studie, forskerne undersøgte først realtidsvæksten af ​​borophen på sølvoverflader ved forskellige temperaturer. De dyrkede prøverne ved Yale i et ultrahøjvakuum-lavenergi-elektronmikroskop (LEEM) udstyret med et MBE-system. Under og efter vækstprocessen, de bombarderede prøven med en elektronstråle ved lav energi og analyserede lavenergi elektrondiffraktion (LEED) mønstre produceret, da elektroner blev reflekteret fra krystaloverfladen og projiceret på en detektor. Fordi elektronerne har lav energi, de kan kun nå de første par atomlag af materialet. Afstanden mellem de reflekterede elektroner ("pletter" i diffraktionsmønstrene) er relateret til afstanden mellem atomer på overfladen, og ud fra disse oplysninger, videnskabsmænd kan rekonstruere krystalstrukturen.

I dette tilfælde, mønstrene afslørede, at enkeltkrystalborofendomænerne kun var snesevis af nanometer i størrelse-for små til at fremstille enheder og studere grundlæggende fysiske egenskaber-til alle vækstbetingelser. De løste også kontroversen om borophens struktur:begge strukturer eksisterer, men de dannes ved forskellige temperaturer. Forskerne bekræftede deres LEEM- og LEED-resultater gennem atomkraftmikroskopi (AFM). I AFM, en skarp spids scannes hen over en overflade, og den målte kraft mellem spidsen og atomerne på overfladen bruges til at kortlægge atomarrangementet.

For at fremme dannelsen af ​​større krystaller, forskerne skiftede derefter substratet fra sølv til kobber, anvender det samme LEEM, LEED, og AFM teknikker. Brookhaven-forskerne Percy Zahl og Ilya Drozdov afbildede også overfladestrukturen i høj opløsning ved hjælp af et specialbygget scanningstunneling-mikroskop (STM) med en kuliltesondespids ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et US Department of Energy (DOE) Office of Science brugerfacilitet. Yale-teoretikere Stephen Eltinge og Sohrab Ismail-Beigi udførte beregninger for at bestemme stabiliteten af ​​de eksperimentelt opnåede strukturer. Efter at have identificeret, hvilke strukturer der var mest stabile, de simulerede elektrondiffraktionsspektrene og STM-billeder og sammenlignede dem med de eksperimentelle data. Denne iterative proces fortsatte, indtil teori og eksperiment var enige.

"Fra teoretiske indsigter, vi forventede, at kobber ville producere større enkeltkrystaller, fordi det interagerer stærkere med borophen end sølv, " sagde Bozovic. "Kobber donerer nogle elektroner for at stabilisere borophen, men materialerne interagerer ikke for meget til at danne en forbindelse. Ikke alene er enkeltkrystallerne større, men strukturerne af borophen på kobber er anderledes end dem, der dyrkes på sølv."

Fordi der er flere mulige fordelinger af ledige stillinger på overfladen, forskellige krystalstrukturer af borophen kan dukke op. Denne undersøgelse viste også, hvordan strukturen af ​​borophen kan modificeres ved at ændre substratet og, i nogle tilfælde, temperaturen eller aflejringshastigheden.

Det næste trin er at overføre borophenpladerne fra de metalliske kobberoverflader til isolerende kompatible substrater. Derefter, forskere vil være i stand til nøjagtigt at måle resistivitet og andre elektriske egenskaber, der er vigtige for enhedens funktionalitet. Bozovic er særligt spændt på at teste, om borophen kan gøres superledende. Nogle teoretikere har spekuleret i, at dens usædvanlige elektroniske struktur endda kan åbne en vej til tabsfri transmission af elektricitet ved stuetemperatur, i modsætning til de ultrakølede temperaturer, der normalt kræves for superledning. Ultimativt, målet i 2-D materialeforskning er at kunne finjustere disse materialers egenskaber, så de passer til bestemte applikationer.