Borofeen - tweedimensionale (2-D) atoom-dunne platen van boor, een chemisch element dat traditioneel wordt aangetroffen in glasvezelisolatie, is allesbehalve saai. Hoewel boor een niet-metalen halfgeleider is in zijn bulk (3-D) vorm, het wordt een metalen geleider in 2D. Borofeen is extreem flexibel, sterk, en lichtgewicht - zelfs meer dan zijn op koolstof gebaseerde analoog, grafeen. Deze unieke elektronische en mechanische eigenschappen maken van borofeen een veelbelovend materiaalplatform voor elektronische apparaten van de volgende generatie, zoals wearables, biomolecuul sensoren, licht detectoren, en kwantumcomputers.

Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Yale University hebben borofeen gesynthetiseerd op kopersubstraten met een groot oppervlak (variërend in grootte van 10 tot 100 micrometer) eenkristaldomeinen (ter referentie, een streng mensenhaar is ongeveer 100 micrometer breed). Eerder, er waren alleen monokristallijne borofeenvlokken van nanometerformaat geproduceerd. Het voorschot, gerapporteerd op 3 december in Natuur Nanotechnologie , vertegenwoordigt een belangrijke stap in het mogelijk maken van praktische op borofeen gebaseerde apparaten.

Voor elektronische toepassingen, hoogwaardige eenkristallen - periodieke rangschikkingen van atomen die door het hele kristalrooster doorlopen zonder grenzen of defecten - moeten worden verdeeld over grote delen van het oppervlaktemateriaal (substraat) waarop ze zijn gegroeid. Bijvoorbeeld, de huidige microchips gebruiken eenkristallen van silicium en andere halfgeleiders. De fabricage van apparaten vereist ook inzicht in hoe verschillende substraten en groeiomstandigheden de kristalstructuur van een materiaal beïnvloeden, die zijn eigenschappen bepaalt.

"We hebben de omvang van de eenkristaldomeinen met een factor een miljoen vergroot, " zei co-auteur en projectleider Ivan Bozovic, senior wetenschapper en groepsleider Molecular Beam Epitaxy in de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Lab en adjunct-professor toegepaste fysica aan de Yale University. "Er zijn grote domeinen nodig om elektronische apparaten van de volgende generatie met een hoge elektronenmobiliteit te fabriceren. Elektronen die gemakkelijk en snel door een kristalstructuur kunnen bewegen, zijn de sleutel tot het verbeteren van de apparaatprestaties."

Een nieuw 2D-materiaal

Sinds de ontdekking van grafeen in 2004, een enkele laag koolstofatomen, die van grafiet kan worden gepeld, het kernbestanddeel van potloden, met plakband - wetenschappers zijn op zoek geweest naar andere 2D-materialen met opmerkelijke eigenschappen. De chemische bindingen tussen koolstofatomen die grafeen zijn sterkte verlenen, maken het moeilijk om de structuur ervan te manipuleren.

Theoretici voorspelden dat boor (naast koolstof op het periodiek systeem, met één elektron minder) afgezet op een geschikt gekozen substraat zou een 2D-materiaal kunnen vormen dat lijkt op grafeen. Maar deze voorspelling werd pas drie jaar geleden experimenteel bevestigd, toen wetenschappers voor de allereerste keer borofeen synthetiseerden. Ze zetten boor af op zilversubstraten onder ultrahoogvacuümomstandigheden door middel van moleculaire bundelepitaxie (MBE), een nauwkeurig gecontroleerde atomaire laag-voor-laag kristalgroeitechniek. Kort daarna, een andere groep wetenschappers kweekte borofeen op zilver, maar ze stelden een geheel andere kristalstructuur voor.

"Borofeen is structureel vergelijkbaar met grafeen, met een zeshoekig netwerk gemaakt van boor (in plaats van koolstof) atomen op elk van de zes hoekpunten die de zeshoek definiëren, " zei Bozovic. "Echter, borofeen is anders omdat het periodiek een extra booratoom heeft in het midden van de zeshoek. De kristalstructuur heeft de neiging om theoretisch stabiel te zijn wanneer ongeveer vier van de vijf centrumposities bezet zijn en één leeg."

Volgens de theorie, terwijl het aantal vacatures vast staat, hun regeling is dat niet. Zolang de vacatures zo zijn verdeeld dat de meest stabiele (laagste energie) structuur behouden blijft, ze kunnen worden herschikt. Door deze flexibiliteit, borofeen kan meerdere configuraties hebben.

Een kleine stap in de richting van apparaatfabricage

In dit onderzoek, de wetenschappers onderzochten eerst de real-time groei van borofeen op zilveren oppervlakken bij verschillende temperaturen. Ze kweekten de monsters aan Yale in een ultrahoogvacuüm lage-energie elektronenmicroscoop (LEEM) uitgerust met een MBE-systeem. Tijdens en na het groeiproces ze bombardeerden het monster met een bundel elektronen met lage energie en analyseerden de lage-energie elektronendiffractie (LEED) patronen die werden geproduceerd toen elektronen werden gereflecteerd door het kristaloppervlak en op een detector werden geprojecteerd. Omdat de elektronen een lage energie hebben, ze kunnen alleen de eerste paar atomaire lagen van het materiaal bereiken. De afstand tussen de gereflecteerde elektronen ("vlekken" in de diffractiepatronen) is gerelateerd aan de afstand tussen atomen op het oppervlak, en uit deze informatie, wetenschappers kunnen de kristalstructuur reconstrueren.

In dit geval, de patronen onthulden dat de eenkristal-borofeendomeinen slechts tientallen nanometers groot waren - te klein om apparaten te fabriceren en fundamentele fysieke eigenschappen te bestuderen - voor alle groeiomstandigheden. Ze hebben ook de controverse over de structuur van borofeen opgelost:beide structuren bestaan, maar ze vormen bij verschillende temperaturen. De wetenschappers bevestigden hun LEEM- en LEED-resultaten door middel van atomaire krachtmicroscopie (AFM). Bij AFM, een scherpe punt wordt over een oppervlak gescand, en de gemeten kracht tussen de punt en atomen op het oppervlak wordt gebruikt om de atomaire rangschikking in kaart te brengen.

Om de vorming van grotere kristallen te bevorderen, de wetenschappers schakelden vervolgens het substraat over van zilver naar koper, dezelfde LEEM toepassen, LEIDEN, en AFM-technieken. Brookhaven-wetenschappers Percy Zahl en Ilya Drozdov beeldden ook de oppervlaktestructuur af met hoge resolutie met behulp van een op maat gemaakte scanning tunneling-microscoop (STM) met een koolmonoxide-sondepunt bij Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) - een US Department of Energy (DOE) Office of Science gebruikersfaciliteit. Yale-theoretici Stephen Eltinge en Sohrab Ismail-Beigi voerden berekeningen uit om de stabiliteit van de experimenteel verkregen structuren te bepalen. Na te hebben vastgesteld welke structuren het meest stabiel waren, ze simuleerden de elektronendiffractiespectra en STM-beelden en vergeleken ze met de experimentele gegevens. Dit iteratieve proces ging door totdat theorie en experiment in overeenstemming waren.

"Van theoretische inzichten, we verwachtten dat koper grotere eenkristallen zou produceren omdat het sterker interageert met borofeen dan met zilver, " zei Bozovic. "Koper doneert wat elektronen om borofeen te stabiliseren, maar de materialen interageren niet te veel om een ​​verbinding te vormen. Niet alleen zijn de eenkristallen groter, maar de structuren van borofeen op koper zijn anders dan die op zilver."

Omdat er verschillende mogelijke verdelingen van vacatures aan de oppervlakte zijn, verschillende kristalstructuren van borofeen kunnen ontstaan. Deze studie toonde ook aan hoe de structuur van borofeen kan worden gewijzigd door het substraat te veranderen en, in sommige gevallen, de temperatuur of depositiesnelheid.

De volgende stap is het overbrengen van de borofeenplaten van de metalen koperen oppervlakken naar substraten die compatibel zijn met het isolerende apparaat. Vervolgens, wetenschappers zullen de weerstand en andere elektrische eigenschappen die belangrijk zijn voor de functionaliteit van het apparaat nauwkeurig kunnen meten. Bozovic is bijzonder enthousiast om te testen of borofeen supergeleidend kan worden gemaakt. Sommige theoretici hebben gespeculeerd dat de ongebruikelijke elektronische structuur ervan zelfs een weg kan openen naar verliesvrije transmissie van elektriciteit bij kamertemperatuur, in tegenstelling tot de ultrakoude temperaturen die gewoonlijk vereist zijn voor supergeleiding. uiteindelijk, het doel van 2D-materiaalonderzoek is om de eigenschappen van deze materialen te finetunen voor specifieke toepassingen.