Synthetische organische chemici willen nog steeds de schaalbare synthese van elementaire, tweedimensionale (2D) materialen buiten grafeen begrijpen. In een nieuw rapport introduceerden Marc G. Cuxart en een team van onderzoekers op het gebied van natuurkunde, scheikunde en elektrotechniek en computertechniek in Frankrijk en Duitsland een veelzijdige methode van chemische dampafzetting (CVD) om borofenen en borofeenheterostructuren te laten groeien via het selectieve gebruik van diboraan afkomstig van traceerbare bijproducten van borazine. Het team synthetiseerde met succes metalen borofeenpolymorfen op Iridium (IR) (III) en koper (Cu) (III) eenkristalsubstraten naast isolerend hexagonaal boornitride (hBN) om atomair nauwkeurige laterale borofeen-hBN-interfaces te vormen. Deze structuur beschermde borofeen tegen onmiddellijke oxidatie door de aanwezigheid van een enkele isolerende hBN-bovenlaag. Deze directe benadering en het vermogen om borofenen van hoge kwaliteit met grote eenkristallijne domeinen te synthetiseren via chemische dampafzetting, kan een reeks mogelijkheden openen om hun fundamentele eigenschappen te bestuderen. Het werk is nu gepubliceerd in Science Advances .

Synthese van borofenen

De mogelijkheid om 2D-materialen te synthetiseren zonder natuurlijk voorkomende gelaagde analogen heeft een nieuwe weg geopend naar eigendomsengineering op basis van de keuze van samenstellende elementen en het ontwerp van atomaire structuren in het vlak. De elementaire lagen van verschillende 2D-kunststoffen worden gestabiliseerd door sterke covalente bindingen. Borofenen bieden interessante anisotrope, elektronische en mechanische eigenschappen om controle te krijgen over eigenschappen en opkomende functionaliteiten. Deze resultaten hebben geleid tot experimentele inspanningen om stabiele 2D-polymorfen van boor, bekend als borofenen, te synthetiseren. In 2015 synthetiseerden onderzoekers atomair dunne borofenen door boor uit zeer zuivere vaste bronnen op het oppervlak van een zilveren enkelkristal in ultrahoog vacuüm af te zetten, volgens een fysische dampafzettingsmethode. Wetenschappers hebben deze procedure vervolgens op verschillende oppervlakken toegepast, maar het ontbreken van een geschikte boorvoorloper om 2D-kiemvorming en groei te stimuleren, was een grote belemmering om atomair dunne borofenen te produceren. In dit werk, Cuxart et al. daarom geïdentificeerd diboraan (B₂ H₆ ) in commerciële borazine, gebaseerd op eerdere studies. Met behulp van diboraan als een moleculaire voorloper van de hoogwaardige groei van atomair dunne borofeenlagen, ontwikkelden ze een gemakkelijke en gereguleerde CVD-route om ongekende verticale en laterale heterostructuren te vormen. Het werk opent een nieuwe weg om de eigenschappen van borofeen in heterostructuren en apparaten van Van der Waals te onderzoeken.

Tijdens het onderzoek hebben Cuxart et al. diboraan gedoseerd op een voorverwarmd, atomair schoon en vlak oppervlak na selectieve filtering uit borazine door een vries-dooicyclus toe te passen op het precursor-doseersysteem. Tijdens de borazinesynthese vormde amineboraan een belangrijk tussenproduct dat als bron voor diboraan diende. Het team schreef de aanwezigheid en continue reformatie van diboraan toe aan een voortdurend verval van inherente of verworven sporenonzuiverheden in de commerciële borazine-precursor, die veel wordt gebruikt voor hBN-monolaagsynthese. De wetenschappers karakteriseerden vervolgens het resulterende materiaal met behulp van lage-temperatuur scanning tunneling microscopie (STM) en röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS). De STM-beelden toonden een "golvend" patroon door diboraan op iridium te doseren. Om borofeen te ontwikkelen met behulp van deze methode, Cuxart et al. introduceerde een veelzijdige methode van chemische dampafzetting. De XPS-karakterisering gaf de borofeenpolymorf aan die was gegroeid door chemische dampafzetting om de aanwezigheid van boor en de afwezigheid van stikstof te bevestigen. Het team bestudeerde de gecombineerde groei van borofeen en enkellaags hBN als een multifunctioneel, isolerend 2D-materiaal.

Borofeen-hBN heterostructuren onderzoeken

De wetenschappers merkten verder de vorming van een rechte en scherpe 1-D-interface op, ondersteund door een beschrijving op atomaire schaal van de bindingsconfiguratie met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie. De uitkomst werd ook experimenteel waargenomen via het atomair opgeloste STM-beeld (scanning tunneling microscopie). Het team liet zien hoe elektronenovergangen van borofeen naar hBN plaatsvonden zonder een duidelijke interfacetoestand, die Cuxart et al. geïdentificeerd met behulp van scanning tunneling spectra (STS). Vervolgens ontwikkelden ze aanvullende methoden om een ​​borofeen-hBN-heterostructuur te produceren door 1,8 L diboraan en 4,5 L borazine op iridium te doseren. De doses kwamen overeen met de groei van een volledige monolaag van borofeen en hBN op iridiumoppervlakken. Met behulp van scanning tunneling microscopie verkregen ze een hBN-honingraatstructuur om vervolgens zwakke interacties tussen hBN en borofeen aan te geven. De zwakke diffractiepunten demonstreerden verder de uitlijning van de borofeen-superstructuur met de hBN-afdekking. Om de oxidatie van borofeen te voorkomen, die anders zijn stabiliteit bij blootstelling aan lucht kan beperken, hebben Cuxart et al. onderzocht het beschermende aftoppingseffect dat inert hBN verleende aan borofeen. Om dit te bestuderen, heeft het team röntgenfoto-elektronspectra gemeten op met hBN bedekt en onbedekt borofeen - na de oppervlakken te hebben blootgesteld aan incrementele doses moleculaire zuurstof bij kamertemperatuur. In tegenstelling tot kale borofeen bleef het met hBN bedekte borofeen volledig onveranderd, om de impact van hBN als een beschermende laag tegen oxidatie van borofeen te benadrukken.

Groei van borofeen op koper en de algemene vooruitzichten

Om de effecten van chemische dampafzetting (CVD) op verschillende metalen substraten te begrijpen, hebben Cuxart et al. bestudeerde ook de groei van borofeen op koper (Cu) (III), een zwakkere interagerende drager. In dit geval doseerden ze 18 l diboraan op een koperen eenkristal dat op 773 K werd gehouden. De wetenschappers karakteriseerden vervolgens het resulterende materiaal om de aanwezigheid van eenkristallijne domeinen te onthullen. Op deze manier lieten Marc G. Cuxart en collega's, door zowel koper- als iridiumoppervlakken te kiezen, zien hoe vergelijkbare structuren kunnen worden gevormd via verschillende benaderingen. De resultaten bevestigden de mogelijkheid om de CVD-methode te gebruiken om boor af te leveren, om borofenen en heterostructuren te genereren met hBN. Het werk ondersteunde verder de mogelijkheid om de chemische dampafzettingsroute te gebruiken om borofeenpolymorfen te vormen op basis van diboraan als een bron van boor. Het team benadrukte het belang van voorlopers van hoge zuiverheid om selectief enkelvoudige fasen te deponeren. De methode kan op diverse substraten worden gebruikt om een ​​pad te openen voor de in-situ groei van heterostructuren op basis van laagdimensionale materialen die borofeen beschermen tegen oxidatie. Deze benadering kan een reeks methoden openen om de fundamentele aspecten van synthetische 2D-materialen te bestuderen voor technisch relevante toepassingen. + Verder verkennen

Synthese van 2D-materiaal met een groot oppervlak:atoomlaag duwt oppervlaktestappen weg

© 2021 Science X Network