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Borophene作为2D材料平台发展

发布时间:2019-01-29 10:36:41 来源:

Borophene - 二维(2-D)原子薄片硼,一种传统上在玻璃纤维绝缘材料中发现的化学元素 - 不过是无聊的。尽管硼是体(3-D)形式的非金属半导体,但它在2-D中变成金属导体。Borophene具有极强的柔韧性,坚固性和轻质性 - 甚至比其碳基类似物石墨烯还要多。这些独特的电子和机械特性使得硼噻吩成为下一代电子设备(如可穿戴设备,生物分子传感器,光探测器和量子计算机)的理想材料平台。

现在,来自美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室和耶鲁大学的物理学家已经在铜基板上合成了具有大面积(大小在10到100微米之间)单晶域的硼氧化物(供参考,人类的一条链)头发宽约100微米)。以前,只生产了纳米级的硼硅烯单晶片。12月3日在Nature Nanotechnology上报道的这一进展代表了使实用的基于硼烯的设备成为可能的重要一步。

对于电子应用,高质量的单晶 - 在整个晶格中没有边界或缺陷的原子的周期性排列 - 必须分布在它们生长的表面材料(基板)的大面积上。例如,今天的微芯片使用硅和其他半导体的单晶。器件制造还需要了解不同的衬底和生长条件如何影响材料的晶体结构,这决定了其特性。

“我们将单晶域的大小增加了一百万,”共同作者和项目负责人Ivan Bozovic说道,他是布鲁克海文实验室凝聚态物理和材料科学(CMPMS)部门的资深科学家和分子束外延组组长和耶鲁大学应用物理学副教授。“需要大型域来制造具有高电子迁移率的下一代电子器件。能够轻松快速地穿过晶体结构的电子是提高器件性能的关键。”

一种新的二维材料

自从2004年发现石墨烯 - 一片碳原子,可以从石墨上剥离,铅笔的核心成分,用透明胶带 - 科学家们一直在寻找具有显着特性的其他二维材料。赋予石墨烯及其强度的碳原子之间的化学键使得难以操纵其结构。

理论家预测,在适当选择的基板上沉积的硼(在周期表上的碳旁边,具有少一个电子)可以形成类似于石墨烯的2-D材料。但是这种预测直到三年前才被实验证实,当时科学家们首次合成了硼氧烷。他们通过分子束外延(MBE),一种精确控制的原子逐层晶体生长技术,在超高真空条件下将硼沉积到银基板上。此后不久,另一组科学家在银上生长了硼氧化物,但他们提出了完全不同的晶体结构。

“Borophene在结构上类似于石墨烯,六个网络由六个顶点上的六个顶点组成的六边形网络构成六边形,”Bozovic说。“但是,硼卟啉的不同之处在于它周期性地在六边形的中心有一个额外的硼原子。当每五个中心位置中约有四个被占用而一个空置时,晶体结构在理论上趋于稳定。”

根据理论,虽然空缺数量是固定的,但他们的安排并非如此。只要空位以保持最稳定(最低能量)结构的方式分布,就可以重新排列。由于这种灵活性,硼酞可以具有多种配置。

向器件制造迈出了一小步

在这项研究中,科学家首先研究了不同温度下硼硅烯在银表面上的实时生长。他们在配备MBE系统的超高真空低能电子显微镜(LEEM)中在耶鲁大学生长样品。在生长过程中和之后,他们用低能量的电子束轰击样品,并分析了电子从晶体表面反射并投射到探测器上时产生的低能电子衍射(LEED)图案。因为电子具有低能量,所以它们只能到达材料的前几个原子层。反射电子之间的距离(衍射图案中的“斑点”)与表面上原子之间的距离有关,科学家可以根据这些信息重建晶体结构。

在这种情况下,模式显示单晶硼芴域的尺寸仅为几十纳米 - 对于所有生长条件而言,对于制造器件和研究基本物理性质来说太小。他们还解决了关于硼酞结构的争议:两种结构都存在,但它们在不同的温度下形成。科学家通过原子力显微镜(AFM)证实了他们的LEEM和LEED结果。在AFM中,在表面上扫描尖锐的尖端,并且在尖端和表面上的原子之间测量的力用于映射原子排列。

为了促进更大晶体的形成,科学家随后将基板从银转换为铜,采用相同的LEEM,LEED和AFM技术。Brookhaven的科学家Percy Zahl和Ilya Drozdov使用定制的扫描隧道显微镜(STM)在布鲁克海文的功能纳米材料中心(CFN) - 美国能源部(DOE)使用一氧化碳探针尖端对高分辨率的表面结构进行成像。 )科学用户设施办公室。耶鲁理论家Stephen Eltinge和Sohrab Ismail-Beigi进行了计算,以确定实验获得的结构的稳定性。在确定哪种结构最稳定后,他们模拟了电子衍射光谱和STM图像,并将它们与实验数据进行了比较。

“从理论上看,我们预计铜会产生更大的单晶,因为它与硼的相互作用比银更强,”Bozovic说。“铜提供一些电子来稳定硼氧化物,但这些材料不会相互作用太大而形成一种化合物。不仅单晶体更大,而且铜上的硼卟啉结构也不同于任何在银上生长的结构。”

由于表面上存在几种可能的空位分布,因此可以出现硼硅烯的各种晶体结构。该研究还显示了如何通过改变基底以及在某些情况下改变温度或沉积速率来改变硼酞的结构。

下一步是将硼酞板从金属铜表面转移到与绝缘装置兼容的基板上。然后,科学家将能够准确地测量电阻率和其他对器件功能重要的电气特性。Bozovic特别兴奋地测试硼硅烯是否可以制成超导体。一些理论家推测其不寻常的电子结构甚至可能在室温下开辟无损传输电路,而不是超导通常需要的超冷温度。最终,二维材料研究的目标是能够微调这些材料的特性以适应特定应用。

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