Borophen på sølv vokser frit til en atomisk hud

Borophene har en næsten perfekt partner i en form for sølv, der kunne hjælpe det trendy todimensionelle materiale med at vokse til uhørte længder.

Et velordnet gitter af sølvatomer gør det muligt at fremskynde væksten af ​​uberørt borophen, den atomtykke allotrop af bor, der indtil videre kun kan dannes via syntese ved molekylærstråleepitaxi (MBE).

Ved at bruge et sølvsubstrat og gennem omhyggelig manipulation af temperatur og aflejringshastighed, Forskere har opdaget, at de kan dyrke aflange sekskantformede flager af borophen. De foreslog, at brugen af ​​et ordentligt metalsubstrat kunne lette væksten af ​​ultratynde, smalle borophenbånd.

Nyt værk udgivet i Videnskabens fremskridt af forskere ved Rice og Northwestern universiteter, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics og Argonne National Laboratory vil hjælpe med at strømline fremstillingen af ​​det ledende materiale, som viser potentiale for brug i bærbar og gennemsigtig elektronik, plasmoniske sensorer og energilagring.

Dette potentiale har sat gang i bestræbelserne på at gøre det lettere at vokse, ledet af rismaterialeforsker Boris Yakobson, en teoretiker, der forudsagde, at borophen kunne syntetiseres. Han og samarbejdspartnere Mark Hersam på Northwestern og hovedforfatter Zhuhua Zhang, en ris-alumne og nu professor i Nanjing, har nu demonstreret gennem teori og eksperimenter, at storskala, Prøver af borophen af ​​høj kvalitet er ikke kun mulige, men giver også mulighed for en kvalitativ forståelse af deres vækstmønstre.

I modsætning til de gentagne atomgitre fundet i grafen og sekskantet bornitrid, borophen indeholder en regelmæssig, indvævet række af "ledige stillinger, " manglende atomer, der efterlader sekskantede huller mellem trekanterne. Dette påvirker ikke kun materialets elektroniske egenskaber, men påvirker også, hvordan nye atomer slutter sig til flaget, mens det bliver dannet.

Yakobson-laboratoriets beregninger viste, at kantenergierne - atomer, der er mindre stabile langs kanterne af 2D-materialer end dem i det indre - er betydeligt lavere end dem i grafen og bornitrid, og at betingelserne kan manipuleres for at justere kanterne til optimal vækst af bånd.

Indledende beregninger viste, at borophen i ligevægt skulle dannes som et rektangel, men eksperimenter viste det modsatte.

Den forvirrende faktor var i flagens kanter, at tvunget af de ledige stillinger, vises i variationer af zigzag- og lænestolskonfigurationer. Atomer sætter sig et efter et i de "knæk", der vises langs kanterne, men da lænestole er mere energimæssigt stabile og udgør en højere barriere for atomerne, de foretrækker at slutte sig til zigzag. I stedet for at strække flagerne i alle retninger, atomerne er selektive med hensyn til, hvor de sætter sig og forlænger strukturen i stedet.

"På den atomare skala, kanter virker ikke som om du klipper gitteret med en saks, " sagde Yakobson. "De dinglende bånd, du skaber, forbinder igen med deres naboer, og kantatomerne tilpasser sig lidt anderledes, rekonstruerede konfigurationer.

"Så formernes oprindelse må ikke ligge i ligevægt, " sagde han. "De er forårsaget af vækstkinetikken, hvor hurtigt eller langsomt sidekanterne bevæger sig frem. lejlighedsvis, vi havde udviklet en teoretisk ramme for grafen, en nanoreaktormodel, der fungerer til andre 2D-materialer, inklusive bor."

Styring af strømmen af ​​atomer samt temperatur giver forskerne en enklere måde at kontrollere borophensyntesen på.

"Sølv (111) giver en landing for boratomer, som derefter diffunderer langs overfladen for at finde kanterne af en voksende borophenflage, " sagde Zhang. "Ved ankomsten, boratomerne løftes op på kanterne af sølv, men hvor svært et sådant løft er afhænger af kantens orientering. Som resultat, et par modsatte zigzag-kanter vokser meget langsomt, mens alle andre kanter vokser meget hurtigt, manifesteret som en forlængelse af borflagen."

Forskerne sagde, at evnen til at dyrke nålelignende bånd af borophen giver dem potentialet til at tjene som atom-bredde ledende ledninger til nanoelektroniske enheder.

"Graphene-baseret elektronik, der er blevet udtænkt hidtil, er for det meste afhængig af båndlignende byggeklodser, " sagde Yakobson. "Metalliske borbånd med høj ledningsevne vil være et naturligt match som sammenkoblinger i kredsløb."

Medforfattere til papiret er Xiaolong Liu fra Northwestern, Nathan Guisinger fra Argonne's Center for Nanoscale Materials, Andrew Mannix fra Argonne og Northwestern, og Zhili Hu fra Nanjing og Rice. Yakobson er Karl F. Hasselmann-professor i materialevidenskab og nanoteknik og professor i kemi ved Rice. Hersam er Walter P. Murphy-professor i materialevidenskab og -teknik ved Northwestern.