Uno schema di reti esagonali di atomi di boro (rosa), che si trovano sui nodi esagonali e periodicamente al centro dell'esagono, cresciuto su una superficie di atomi di rame (marrone). Gli scienziati hanno utilizzato un microscopio elettronico a bassa energia (LEEM) per osservare la crescita di "isole" di borofene (triangoli gialli nel cerchio sinistro), cambiando la temperatura, tasso di deposito, e altre condizioni di crescita in tempo reale per perfezionare la "ricetta". Le isole possono sedersi sulla superficie in sei diversi orientamenti e possono essere discriminate selezionando un punto di diffrazione elettronica (come quello cerchiato in giallo) corrispondente a un particolare orientamento (quello collegato con la linea tratteggiata). Alla fine le isole crescono a tal punto che si toccano e si incontrano, e l'intera superficie (un centimetro quadrato) è ricoperta di borofene, come si vede nel cerchio a destra. I colori sono stati aggiunti per distinguere le regioni con orientamenti diversi. Credito:Brookhaven National Laboratory
Borofene:fogli sottilissimi di boro bidimensionali (2-D), un elemento chimico tradizionalmente presente nell'isolamento in fibra di vetro, è tutt'altro che noioso. Sebbene il boro sia un semiconduttore non metallico nella sua forma bulk (3-D), diventa un conduttore metallico in 2-D. Il borofene è estremamente flessibile, forte, e leggero, anche più del suo analogo a base di carbonio, grafene. Queste proprietà elettroniche e meccaniche uniche rendono il borofene una piattaforma di materiali promettenti per dispositivi elettronici di prossima generazione come dispositivi indossabili, sensori di biomolecole, rilevatori di luce, e computer quantistici.
Ora, i fisici del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università di Yale hanno sintetizzato il borofene su substrati di rame con domini monocristallini di ampia area (di dimensioni comprese tra 10 e 100 micrometri) (per riferimento, una ciocca di capelli umani è larga circa 100 micrometri). In precedenza, erano stati prodotti solo fiocchi monocristallini di borofene di dimensioni nanometriche. Il vantaggio, segnalato il 3 dicembre in Nanotecnologia della natura , rappresenta un passo importante nella realizzazione di dispositivi pratici a base di borofene.
Per le applicazioni elettroniche, i cristalli singoli di alta qualità - disposizioni periodiche di atomi che continuano attraverso l'intero reticolo cristallino senza confini o difetti - devono essere distribuiti su ampie aree del materiale superficiale (substrato) su cui sono cresciuti. Per esempio, i microchip odierni utilizzano cristalli singoli di silicio e altri semiconduttori. La fabbricazione del dispositivo richiede anche la comprensione di come diversi substrati e condizioni di crescita influiscano sulla struttura cristallina di un materiale, che ne determina le proprietà.
"Abbiamo aumentato la dimensione dei domini a cristallo singolo di un fattore di un milione, " ha detto il coautore e capo progetto Ivan Bozovic, scienziato senior e leader del gruppo di epitassia a fascio molecolare nel dipartimento di fisica e scienza dei materiali della materia condensata (CMPMS) del Brookhaven Lab e professore a contratto di fisica applicata all'Università di Yale. "Sono necessari grandi domini per fabbricare dispositivi elettronici di prossima generazione con elevata mobilità degli elettroni. Gli elettroni che possono muoversi facilmente e rapidamente attraverso una struttura cristallina sono fondamentali per migliorare le prestazioni del dispositivo".
Gli scienziati del Brookhaven Lab Percy Zahl (a sinistra), Ivan Bozovic (al centro), e Ilya Drozdov al Centro per i nanomateriali funzionali. Qui, hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel a scansione personalizzato per visualizzare la struttura superficiale di fogli bidimensionali sottili di boro su rame. Credito:Brookhaven National Laboratory
Un nuovo materiale 2-D
Dalla scoperta del grafene nel 2004, un singolo foglio di atomi di carbonio, che può essere staccato dalla grafite, il componente principale delle matite, con lo scotch:gli scienziati sono alla ricerca di altri materiali 2-D con proprietà straordinarie. I legami chimici tra gli atomi di carbonio che conferiscono al grafene la sua forza rendono difficile la manipolazione della sua struttura.
I teorici hanno predetto che il boro (accanto al carbonio sulla tavola periodica, con un elettrone in meno) depositato su un substrato opportunamente scelto potrebbe formare un materiale 2-D simile al grafene. Ma questa previsione non è stata confermata sperimentalmente fino a tre anni fa, quando gli scienziati hanno sintetizzato per la prima volta il borofene. Hanno depositato boro su substrati d'argento in condizioni di vuoto ultraelevato tramite epitassia a fascio molecolare (MBE), una tecnica di crescita dei cristalli atomica strato per strato controllata con precisione. Poco dopo, un altro gruppo di scienziati ha coltivato il borofene sull'argento, ma proponevano una struttura cristallina completamente diversa.
"Il borofene è strutturalmente simile al grafene, con una rete esagonale fatta di atomi di boro (invece che di carbonio) su ciascuno dei sei vertici che definiscono l'esagono, ", ha detto Bozovic. "Tuttavia, il borofene è diverso in quanto ha periodicamente un atomo di boro in più al centro dell'esagono. La struttura cristallina tende ad essere teoricamente stabile quando circa quattro su cinque posizioni centrali sono occupate e una è libera".
Secondo la teoria, mentre il numero di posti vacanti è fisso, la loro disposizione non lo è. Fintanto che i posti vacanti sono distribuiti in modo da mantenere la struttura più stabile (energia più bassa), possono essere riorganizzati. A causa di questa flessibilità, il borofene può avere più configurazioni.
Un piccolo passo verso la fabbricazione del dispositivo
In questo studio, gli scienziati hanno prima studiato la crescita in tempo reale del borofene sulle superfici d'argento a varie temperature. Hanno coltivato i campioni a Yale in un microscopio elettronico a vuoto ultra-alto a bassa energia (LEEM) dotato di un sistema MBE. Durante e dopo il processo di crescita, hanno bombardato il campione con un fascio di elettroni a bassa energia e hanno analizzato i modelli di diffrazione elettronica a bassa energia (LEED) prodotti quando gli elettroni venivano riflessi dalla superficie del cristallo e proiettati su un rivelatore. Poiché gli elettroni hanno bassa energia, possono raggiungere solo i primi strati atomici del materiale. La distanza tra gli elettroni riflessi ("punti" nei modelli di diffrazione) è correlata alla distanza tra gli atomi sulla superficie, e da queste informazioni, gli scienziati possono ricostruire la struttura cristallina.
In questo caso, i modelli hanno rivelato che i domini di borofene a cristallo singolo erano solo decine di nanometri di dimensione, troppo piccoli per fabbricare dispositivi e studiare proprietà fisiche fondamentali, per tutte le condizioni di crescita. Hanno anche risolto la controversia sulla struttura del borofene:esistono entrambe le strutture, ma si formano a temperature diverse. Gli scienziati hanno confermato i loro risultati LEEM e LEED attraverso la microscopia a forza atomica (AFM). In AFM, una punta affilata viene scansionata su una superficie, e la forza misurata tra la punta e gli atomi sulla superficie viene utilizzata per mappare la disposizione atomica.
Per favorire la formazione di cristalli più grandi, gli scienziati hanno poi cambiato il substrato dall'argento al rame, applicando lo stesso LEEM, LEED, e tecniche AFM. Gli scienziati di Brookhaven Percy Zahl e Ilya Drozdov hanno anche ripreso la struttura superficiale ad alta risoluzione utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) personalizzato con una punta di sonda per monossido di carbonio presso il Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), un Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) Strumento per gli utenti dell'Ufficio delle scienze. I teorici di Yale Stephen Eltinge e Sohrab Ismail-Beigi hanno eseguito calcoli per determinare la stabilità delle strutture ottenute sperimentalmente. Dopo aver identificato quali strutture erano più stabili, hanno simulato gli spettri di diffrazione elettronica e le immagini STM e le hanno confrontate con i dati sperimentali. Questo processo iterativo continuò finché teoria ed esperimento non furono d'accordo.
"Da approfondimenti teorici, ci aspettavamo che il rame producesse cristalli singoli più grandi perché interagisce più fortemente con il borofene rispetto all'argento, " ha detto Bozovic. "Il rame dona alcuni elettroni per stabilizzare il borofene, ma i materiali non interagiscono troppo da formare un composto. Non solo i singoli cristalli sono più grandi, ma le strutture del borofene sul rame sono diverse da quelle cresciute sull'argento."
Poiché ci sono diverse possibili distribuzioni di posti vacanti sulla superficie, possono emergere varie strutture cristalline di borofene. Questo studio ha anche mostrato come la struttura del borofene può essere modificata cambiando il substrato e, in alcuni casi, la temperatura o la velocità di deposizione.
Il passaggio successivo consiste nel trasferire i fogli di borofene dalle superfici metalliche di rame a substrati compatibili con il dispositivo isolante. Quindi, gli scienziati saranno in grado di misurare con precisione la resistività e altre proprietà elettriche importanti per la funzionalità del dispositivo. Bozovic è particolarmente entusiasta di testare se il borofene può essere reso superconduttore. Alcuni teorici hanno ipotizzato che la sua insolita struttura elettronica possa persino aprire la strada alla trasmissione senza perdite di elettricità a temperatura ambiente, in contrasto con le temperature ultrafredde solitamente richieste per la superconduttività. In definitiva, l'obiettivo nella ricerca sui materiali 2-D è essere in grado di mettere a punto le proprietà di questi materiali per adattarsi a particolari applicazioni.
