Борофен — двумерные (2-D) атомно-тонкие листы бора, химический элемент, традиционно встречающийся в стекловолоконной изоляции, — совсем не скучный. Хотя бор является неметаллическим полупроводником в его объемной (3-D) форме, он становится металлическим проводником в 2-D. Борофен чрезвычайно гибок, прочен и легок — даже больше, чем его углеродный аналог, графен. Эти уникальные электронные и механические свойства делают борофен перспективной материальной платформой для электронных устройств следующего поколения, таких как носимые устройства, датчики биомолекул, детекторы света и квантовые компьютеры.

Схема гексагональных сетей атомов бора (розового цвета), которые встречаются на шестиугольных узлах и периодически в центре шестиугольника, выращенных на поверхности атомов меди (коричневого цвета). Ученые использовали электронный микроскоп низкой энергии (LEEM), чтобы наблюдать, как «островки» борофена (желтые треугольники в левом круге) растут, изменяя температуру, скорость осаждения и другие условия роста в режиме реального времени, чтобы уточнить «рецепт». Острова могут располагаться на поверхности в шести различных ориентациях и могут быть выделены путем выбора пятна дифракции электронов (такого как обведенное желтым цветом), соответствующего конкретной ориентации (той, которая связана с пунктирной линией). В конечном итоге острова растут до такой степени, что соприкасаются и встречаются, и вся поверхность (один сантиметр в квадрате) покрыта борофеном, как видно по кругу справа. Цвета были добавлены, чтобы различать регионы с различной ориентацией. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

В настоящее время физики из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Йельского университета синтезировали борофен на медных подложках с монокристаллическими доменами большой площади (от 10 до 100 микрометров) (для сравнения, нить человека). волосы шириной около 100 микрометров). Ранее были получены только нанокристаллические чешуйки нанометрового размера борофена. Прогресс, о котором сообщалось 3 декабря в области природных нанотехнологий , представляет собой важный шаг в создании практических устройств на основе борофена.

Для электронных применений высококачественные монокристаллы — периодические расположения атомов, которые продолжаются по всей кристаллической решетке без границ или дефектов — должны быть распределены по большим областям поверхностного материала (подложки), на котором они выращены. Например, современные микрочипы используют монокристаллы кремния и других полупроводников. Изготовление устройства также требует понимания того, как различные субстраты и условия роста влияют на кристаллическую структуру материала, которая определяет его свойства.

«Мы увеличили размер монокристаллических доменов в миллион раз», — сказал соавтор и руководитель проекта Иван Божович, старший научный сотрудник и руководитель группы молекулярно-лучевой эпитаксии в отделении физики и материаловедения (CMPMS) Брукхейвенской лаборатории. и адъюнкт-профессор прикладной физики в Йельском университете. «Большие домены необходимы для производства электронных устройств следующего поколения с высокой подвижностью электронов. Электроны, которые могут легко и быстро перемещаться по кристаллической структуре, являются ключом к улучшению характеристик устройства ».

Ученые из Брукхейвенской лаборатории

Ученые из Брукхейвенской лаборатории Перси Захл (слева), Иван Божович (в центре) и Илья Дроздов в Центре функциональных наноматериалов. Здесь они использовали специально построенный сканирующий туннельный микроскоп, чтобы отобразить структуру поверхности двумерных атомно-тонких листов бора на меди. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

Новый двумерный материал

Со времени открытия в 2004 году графена — единого слоя атомов углерода, который можно очистить от графита, основного компонента карандашей, с помощью скотча, — ученые стали охотиться за другими двумерными материалами с замечательными свойствами. Химические связи между атомами углерода, которые придают графену его прочность, затрудняют управление его структурой.

Теоретики предсказали, что бор (рядом с углеродом в Периодической таблице, с одним электроном меньше), нанесенный на надлежащим образом выбранную подложку, может образовать двумерный материал, подобный графену. Но это предсказание не было подтверждено экспериментально до трех лет назад, когда ученые впервые синтезировали борофен. Они наносили бор на серебряные подложки в условиях сверхвысокого вакуума с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), точно контролируемой атомной послойной технологии выращивания кристаллов. Вскоре после этого другая группа ученых вырастила борофен на серебре, но они предложили совершенно другую кристаллическую структуру.

«Борофен структурно похож на графен с гексагональной сеткой, состоящей из атомов бора (а не углерода) на каждой из шести вершин, определяющих шестиугольник», — сказал Божович. «Однако борофен отличается тем, что периодически имеет дополнительный атом бора в центре шестиугольника. Кристаллическая структура имеет тенденцию быть теоретически устойчивой, когда примерно четыре из каждых пяти центральных положений заняты, а одна свободна ».

Согласно теории, хотя количество вакансий фиксировано, их расположение не является. Пока вакансии распределены таким образом, чтобы поддерживать наиболее стабильную (с наименьшей энергией) структуру, их можно переставить. Из-за этой гибкости борофен может иметь несколько конфигураций.

Фильм о растущих в реальном времени островах борофена, полученный с помощью низкоэнергетической электронной микроскопии. Фото: Брукхейвенская национальная лаборатория

Маленький шаг к изготовлению устройства

В этом исследовании ученые впервые исследовали рост борофена в реальном времени на поверхностях серебра при различных температурах. Они выращивали образцы в Йельском университете в сверхвысоковакуумном низкоэнергетическом электронном микроскопе (LEEM), оборудованном системой MBE. Во время и после процесса роста они бомбардировали образец пучком электронов при низкой энергии и проанализировали низкоэнергетические дифракционные картины электронов (LEED), полученные при отражении электронов от поверхности кристалла и проецировании на детектор. Поскольку электроны имеют низкую энергию, они могут достичь только первых нескольких атомных слоев материала. Расстояние между отраженными электронами («пятнами» на дифракционных картинах) связано с расстоянием между атомами на поверхности, и по этой информации ученые могут реконструировать кристаллическую структуру.

В этом случае закономерности показали, что монокристаллические борофеновые домены имели размер всего лишь десятки нанометров — слишком мал для изготовления устройств и изучения фундаментальных физических свойств — для всех условий роста. Они также разрешили спор о структуре борофена: обе структуры существуют, но они образуются при разных температурах. Ученые подтвердили свои результаты LEEM и LEED с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). В AFM острый наконечник сканируется по поверхности, и измеренная сила между наконечником и атомами на поверхности используется для отображения атомного расположения.

Чтобы способствовать образованию более крупных кристаллов, ученые затем переключили субстрат с серебра на медь, применяя те же методы LEEM, LEED и AFM. Брукхейвенские ученые Перси Захл и Илья Дроздов также изобразили структуру поверхности с высоким разрешением, используя изготовленный на заказ сканирующий туннельный микроскоп (STM) с наконечником зонда из моноокиси углерода в Брукхейвенском центре функциональных наноматериалов (CFN) — Министерства энергетики США (DOE). Управление науки пользователя объекта. Йельские теоретики Стивен Элтинге и Сохраб Исмаил-Бейджи провели расчеты, чтобы определить устойчивость экспериментально полученных структур. После определения структур, которые были наиболее стабильными, они моделировали электронные дифракционные спектры и изображения СТМ и сравнивали их с экспериментальными данными.

«Исходя из теоретических соображений, мы ожидали, что медь будет производить более крупные монокристаллы, потому что она взаимодействует с борофеном сильнее, чем с серебром», — сказал Божович. «Медь жертвует электронами для стабилизации борофена, но материалы не слишком сильно взаимодействуют, образуя соединение. Монокристаллы не только больше по размеру, но и структура борофена на меди отличается от структуры, выращенной на серебре ».

Поскольку существует несколько возможных распределений вакансий на поверхности, могут появиться различные кристаллические структуры борофена. Это исследование также показало, как можно изменить структуру борофена путем изменения субстрата и, в некоторых случаях, температуры или скорости осаждения.

Следующим шагом является перенос листов борофена с поверхностей из металлической меди на подложки, совместимые с изоляционным устройством. Тогда ученые смогут точно измерить удельное сопротивление и другие электрические свойства, важные для функциональности устройства. Божович особенно взволнован, чтобы проверить, можно ли сделать борофен сверхпроводящим. Некоторые теоретики предполагают, что его необычная электронная структура может даже открыть путь к передаче электричества без потерь при комнатной температуре, в отличие от ультрахолодных температур, обычно требуемых для сверхпроводимости. В конечном счете, цель исследований в области двумерных материалов состоит в том, чтобы иметь возможность точно настроить свойства этих материалов для конкретных применений.

По материалам phys.org