Borophenes gjort let

Syntetiske organiske kemikere sigter stadig efter at forstå den skalerbare syntese af elementære, todimensionelle (2D) materialer ud over grafen. I en ny rapport introducerede Marc G. Cuxart og et team af forskere inden for fysik, kemi og elektro- og computerteknik i Frankrig og Tyskland en alsidig metode til kemisk dampaflejring (CVD) til at dyrke borophener og borophen-heterostrukturer via selektiv brug af diboran, der stammer fra sporbare biprodukter af borazin. Holdet syntetiserede med succes metalliske borophenpolymorfer på Iridium (IR) (III) og kobber (Cu) (III) enkeltkrystalsubstrater sammen med isolerende hexagonal bornitrid (hBN) for at danne atomisk præcise laterale borophen-hBN-grænseflader. Denne struktur beskyttede borophen mod øjeblikkelig oxidation på grund af tilstedeværelsen af ​​et enkelt isolerende hBN-overlag. Denne direkte tilgang og evne til at syntetisere højkvalitets borophener med store enkeltkrystallinske domæner via kemisk dampaflejring kan åbne en række muligheder for at studere deres grundlæggende egenskaber. Værket er nu udgivet i Science Advances .

Syntese af borofener

Evnen til at syntetisere 2D-materialer uden naturligt forekommende lagdelte analoger har åbnet en ny vej til egenskabskonstruktion baseret på valget af bestanddele og designet af atomstrukturer i planet. De elementære lag af forskellige 2D syntetiske materialer stabiliseres af stærke kovalente bindinger. Borophener tilbyder interessante anisotrope, elektroniske og mekaniske egenskaber for at give kontrol over egenskaber og nye funktionaliteter. Disse resultater har drevet eksperimentelle bestræbelser på at syntetisere stabile 2D polymorfer af bor kendt som borophener. I 2015 syntetiserede forskere atomisk tynde borophener ved at afsætte borer fra faste kilder med høj renhed på overfladen af ​​en sølvenkeltkrystal i ultrahøjt vakuum efter en fysisk dampaflejringsmetode. Forskere anvendte derefter denne procedure på tværs af forskellige overflader, men manglen på en passende bor-precursor til at fremskynde 2D-kernedannelse og vækst var en væsentlig hindring for at producere atomisk tynde borophener. I dette arbejde har Cuxart et al. derfor identificeret diboran (B₂ H₆ ) i kommerciel borazin, baseret på tidligere undersøgelser. Ved at bruge diboran som en molekylær forløber for vækst af høj kvalitet af atomisk tynde borophenlag udviklede de en nem og reguleret CVD-rute til at danne hidtil usete vertikale og laterale heterostrukturer. Værket åbner en ny vej til at udforske borophenegenskaber i van der Waals heterostrukturer og enheder.

Under undersøgelsen har Cuxart et al. doseret diboran på en forvarmet, atomisk ren og flad overflade efter selektiv filtrering fra borazin ved påføring af en fryse-tø-cyklus til precursor-doseringssystemet. Under borazinsyntese dannede aminboran et hovedmellemprodukt til at fungere som en kilde til diboran. Holdet krediterede tilstedeværelsen og den kontinuerlige omdannelse af diboran til et igangværende henfald af iboende eller erhvervede sporurenheder i den kommercielle borazin-precursor, der er meget brugt til hBN-monolagssyntese. Forskerne karakteriserede derefter det resulterende materiale ved hjælp af lavtemperatur scanning tunneling mikroskopi (STM) og røntgen fotoelektron spektroskopi (XPS). STM-billederne viste et "bølget" mønster ved at dosere diboran på iridium. For at udvikle borophen ved hjælp af denne metode, Cuxart et al. introduceret en alsidig metode til kemisk dampaflejring. XPS-karakteriseringen indikerede borophenpolymorfen dyrket ved kemisk dampaflejring for at bekræfte tilstedeværelsen af ​​bor og fraværet af nitrogen. Holdet studerede den kombinerede vækst af borophen og enkeltlags hBN som et multifunktionelt, isolerende 2D-materiale.

Undersøgelse af borophen-hBN-heterostrukturer

Forskerne bemærkede yderligere dannelsen af ​​en lige og skarp 1-D grænseflade understøttet af en atomskala beskrivelse af bindingskonfigurationen ved at bruge tæthedsfunktionel teori. Resultatet blev også observeret eksperimentelt via det atomisk opløste STM (scanning tunneling microscopy) billede. Holdet viste, hvordan elektronovergange fra borophen til hBN fandt sted uden en tilsyneladende grænsefladetilstand, som Cuxart et al. identificeret ved hjælp af scanning tunneling spectra (STS). De udviklede derefter yderligere metoder til at producere en borophen-hBN-heterostruktur ved at dosere 1,8 L diboran og 4,5 L borazin på iridium. Doserne svarede til væksten af ​​et fuldt monolag af borophen og hBN på iridiumoverflader. Ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi opnåede de en hBN honeycomb struktur for derefter at indikere svage interaktioner mellem hBN og borophen. De svage diffraktionspunkter demonstrerede yderligere justeringen af ​​borophen-overbygningen med hBN-dækslet. For at forhindre oxidation af borophen, der ellers kan begrænse dets stabilitet ved udsættelse for luft, har Cuxart et al. undersøgte den beskyttende dækningseffekt, som inert hBN bidrog til borophen. For at studere dette målte holdet røntgenfotoelektronspektre på hBN-dækket og udækket borophen - efter at have udsat overfladerne for trinvise doser af molekylært oxygen ved stuetemperatur. I modsætning til bar borophen forblev den hBN-dækkede borophen fuldstændig uændret for at fremhæve virkningen af ​​hBN som et beskyttende lag mod oxidation af borophen.

Vækst af borophen på kobber og de overordnede udsigter

For at forstå virkningerne af kemisk dampaflejring (CVD) på tværs af forskellige metalliske substrater, Cuxart et al. undersøgte også væksten af ​​borophen på kobber (Cu) (III), en svagere interagerende støtte. I dette tilfælde doserede de 18 l diboran på en kobber-enkeltkrystal holdt ved 773 K. Forskerne karakteriserede derefter det resulterende materiale for at afsløre tilstedeværelsen af ​​enkeltkrystallinske domæner. På denne måde, ved at vælge både kobber- og iridiumoverflader, viste Marc G. Cuxart og kolleger, hvordan lignende strukturer kunne dannes via forskellige tilgange. Resultaterne bekræftede muligheden for at bruge CVD-metoden til at levere bor, til at generere borophener og heterostrukturer med hBN. Arbejdet understøttede yderligere muligheden for at bruge den kemiske dampaflejringsvej til at danne borophenpolymorfer baseret på diboran som en kilde til bor. Holdet understregede vigtigheden af ​​prækursorer med høj renhed til selektivt at deponere enkeltfaser. Metoden kan bruges på forskellige substrater til at åbne en vej for in-situ vækst af heterostrukturer baseret på lavdimensionelle materialer, der beskytter borophen mod oxidation. Denne tilgang kan åbne en række metoder til at studere de grundlæggende aspekter af syntetiske 2D-materialer til teknisk relevante applikationer. + Udforsk yderligere

Syntese af 2D-materiale med stort område:Atomlag skubber overfladetrin væk

© 2021 Science X Network