Crescita CVD di eterostrutture borofene e borofene-hBN su Ir(111). (A) Schema del dosaggio di diborano sulla superficie di Ir(111) preriscaldata per ottenere borofene. (B) Immagine STM di un dominio borofene monocristallino cresciuto da CVD su Ir(111) (Vbias =0,1 V). (C) Struttura dettagliata del borofene la cui cella unitaria è raffigurata in rosso (Vbias =2,0 V). (D) Schema del dosaggio sequenziale di borazina e diborano per ottenere eterostrutture laterali borofene-hBN. (E) Immagine STM ad alta risoluzione dell'eterostruttura laterale formata da borofene e hBN (Vbias =1,2 V). Le linee rosse evidenziano l'aspetto ondulato del borofene χ6 e i romboidi verdi solidi e tratteggiati evidenziano rispettivamente la cella unitaria e il motivo moiré esagonale di hBN. (F) Livelli di nucleo di boro e azoto 1s XPS misurati su borofene. (G) Schema dell'eterostruttura verticale, con hBN che copre il borofene, cresciuto mediante dosaggio sequenziale. (H) Immagine risolta atomicamente del reticolo hBN che copre il borofene nell'eterostruttura verticale. (Vbias =0,10 V; è stato applicato un sottile rendering 3D per una migliore visualizzazione). (I) Spettri di massa di diborano e borazina usati rispettivamente per far crescere borofene e hBN, misurati a una pressione parziale di 3 × 10 −7 mbar. Credito:Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abk1490
I chimici organici sintetici mirano ancora a comprendere la sintesi scalabile di materiali elementari bidimensionali (2D) oltre il grafene. In un nuovo rapporto, Marc G. Cuxart e un team di ricercatori in fisica, chimica e ingegneria elettrica e informatica in Francia e Germania, hanno introdotto un metodo versatile di deposizione chimica da vapore (CVD) per coltivare borofeni ed eterostrutture di borofene attraverso l'uso selettivo di diborano proveniente da sottoprodotti tracciabili della borazina. Il team ha sintetizzato con successo polimorfi di borofene metallico su substrati monocristallini di iridio (IR) (III) e rame (Cu) (III) insieme a nitruro di boro esagonale isolante (hBN) per formare interfacce borofene-hBN laterali atomicamente precise. Questa struttura proteggeva il borofene dall'ossidazione immediata grazie alla presenza di un unico strato isolante di hBN. Questo approccio diretto e la capacità di sintetizzare borofeni di alta qualità con grandi domini monocristallini tramite deposizione chimica da vapore possono aprire una serie di opportunità per studiarne le proprietà fondamentali. Il lavoro è ora pubblicato in Science Advances .
Sintesi di borofeni
La capacità di sintetizzare materiali 2D senza analoghi stratificati presenti in natura ha aperto un nuovo percorso all'ingegneria immobiliare basata sulla scelta degli elementi costitutivi e sulla progettazione di strutture atomiche nel piano. Gli strati elementari di diversi materiali sintetici 2D sono stabilizzati da forti legami covalenti. I borofeni offrono interessanti proprietà anisotropiche, elettroniche e meccaniche per ottenere il controllo sulle proprietà e sulle funzionalità emergenti. Questi risultati hanno guidato gli sforzi sperimentali per sintetizzare polimorfi 2D stabili del boro noti come borofeni. Nel 2015, i ricercatori hanno sintetizzato borofeni atomicamente sottili depositando boro da fonti solide di elevata purezza sulla superficie di un monocristallo d'argento in ultra alto vuoto, seguendo un metodo di deposizione fisica da vapore. Gli scienziati hanno quindi applicato questa procedura su varie superfici, ma la mancanza di un precursore del boro adatto per stimolare la nucleazione e la crescita 2D era un grave ostacolo alla produzione di borofeni atomicamente sottili. In questo lavoro, Cuxart et al. quindi identificato diborane (B2 H6 ) in borazina commerciale, sulla base di studi precedenti. Utilizzando il diborano come precursore molecolare della crescita di alta qualità di strati di borofene atomicamente sottili, hanno sviluppato un percorso CVD facile e regolato per formare eterostrutture verticali e laterali senza precedenti. Il lavoro apre un nuovo percorso per esplorare le proprietà del borofene nelle eterostrutture e nei dispositivi di van der Waals.
Interfaccia laterale borofene-hBN su Ir(111). (A) Immagine STM ad alta risoluzione dell'eterointerfaccia atomicamente nitida formata da borofene e hBN (Vbias =- 0,5 V). È stato applicato un sottile rendering 3D per una migliore visualizzazione. Il registro interfacciale è evidenziato dalle linee rosse e verdi. (B) spettri dI/dV presi su borofene e hBN nelle regioni di rima e valle, insieme a (C) curve I(V) acquisite simultaneamente (condizioni di stabilizzazione:Vbias =1,5 V, It =0,25 nA, tensione di modulazione lock-in V =50 mV). Gli spettri di borofene rappresentano una media sulla cella unitaria. (D) Mappa dell'intensità dI/dV costruita dalla serie di spettri dI/dV misurati lungo la linea blu contrassegnata sull'immagine STM (Vbias =2,0 V) che mostra una netta transizione elettronica. Spettri stabilizzati a Vbias =1,5 V e It =0,4 nA, tensione di modulazione lock-in V =50 mV. Immagini STM misurate a (E) Vbias =2,7 e (F) Vbias =- 0,8 V, che mostrano un'inversione del contrasto dipendente dalla distorsione tra borofene e hBN. Credito:Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Durante lo studio, Cuxart et al. diborano dosato su una superficie preriscaldata, atomicamente pulita e piana dopo aver filtrato selettivamente dalla borazina applicando un ciclo di congelamento-scongelamento al sistema di dosaggio del precursore. Durante la sintesi della borazina, l'ammina borano formava un intermedio importante che fungeva da fonte di diborano. Il team ha attribuito la presenza e la continua riformazione del diborano a un decadimento in corso di impurità in tracce intrinseche o acquisite nel precursore commerciale della borazina, ampiamente utilizzato per la sintesi del monostrato di hBN. Gli scienziati hanno quindi caratterizzato il materiale risultante utilizzando la microscopia a tunneling a scansione a bassa temperatura (STM) e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS). Le immagini STM hanno mostrato un modello "ondulato" dosando diborano su iridio. Per sviluppare borofene utilizzando questo metodo, Cuxart et al. ha introdotto un metodo versatile di deposizione chimica da vapore. La caratterizzazione XPS ha indicato il polimorfo del borofene cresciuto mediante deposizione chimica da vapore per confermare la presenza di boro e l'assenza di azoto. Il team ha studiato la crescita combinata di borofene e hBN a strato singolo come materiale 2D multifunzionale e isolante.
Esame delle eterostrutture borofene-hBN
hBN su borofene:eterostruttura verticale su Ir(111). (A) Immagine STM risolta atomicamente di un dominio hBN, caratterizzato dalla sua struttura a nido d'ape, su χ6 borofene, che mostra il suo aspetto a strisce su Ir(111) (cella unitaria hBN in verde, Vbias =1,0 V). Il sottile rendering 3D è stato applicato per una migliore visualizzazione. Riquadro:modello LEED acquisito a 79 eV (modello di diffrazione simulato di hBN in verde e borofene in rosso). Spettri (B) boro e (C) azoto 1s XP. I componenti adattati dei contributi spettrali hBN e borofene sono visualizzati rispettivamente in verde e rosso. (D) B 1s picco misurato a diversi angoli di emissione di fotoelettroni θ =0°, 45°, 55°, 60°, 65° e 70° (linee da scuro a azzurro). (E) La dipendenza angolare dell'intensità relativa dei componenti del borofene B 1s e la legge Beer-Lambert si adattano al nero descrivendo l'effetto di attenuazione da parte dello strato di hBN. (F) La serie di spettri B 1s misurati su borofene ricoperto di hBN dopo intervalli di esposizione incrementali di O2 non rivela alcun segno di ossidazione in contrasto con un campione di borofene scoperto che mostra l'emergere di boro ossidato (G). Le mappe di intensità sullo sfondo sono costruite con gli spettri presentati. Credito:Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Crescita CVD di borofene su Cu(111). (A) Immagine STM di un dominio borofene simile a χ3 monocristallino (Vbias =1,3 V). Il riquadro in alto a destra mostra una veloce trasformata di Fourier dell'immagine. L'area di scansione è evidenziata nel riquadro in basso a sinistra (canale corrente di tunneling, Vbias =1,3 V). (B e C) Immagini STM ad alta risoluzione dello stesso dominio borofene registrate a Vbias =0,5 e -3,0 V, rispettivamente. I vettori neri indicano la cella unitaria. Credito:Progressi scientifici , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Gli scienziati hanno inoltre notato la formazione di un'interfaccia 1-D diritta e nitida supportata da una descrizione su scala atomica della configurazione di legame utilizzando la teoria del funzionale della densità. Il risultato è stato anche osservato sperimentalmente tramite l'immagine STM (microscopia a tunneling a scansione) risolta atomicamente. Il team ha mostrato come le transizioni di elettroni da borofene a hBN avvenissero senza uno stato di interfaccia apparente, cosa che Cuxart et al. identificato utilizzando gli spettri di tunneling a scansione (STS). Hanno quindi sviluppato metodi aggiuntivi per produrre un'eterostruttura borofene-hBN dosando 1,8 L di diborano e 4,5 L di borazina sull'iridio. Le dosi corrispondevano alla crescita di un monostrato completo di borofene e hBN sulle superfici di iridio. Utilizzando la microscopia a tunneling a scansione, hanno ottenuto una struttura a nido d'ape hBN per poi indicare interazioni deboli tra hBN e borofene. I deboli punti di diffrazione hanno ulteriormente dimostrato l'allineamento della sovrastruttura in borofene con la copertura hBN. Per prevenire l'ossidazione del borofene che può altrimenti limitarne la stabilità all'esposizione all'aria, Cuxart et al. ha studiato l'effetto di capping protettivo che l'hBN inerte conferiva al borofene. Per studiarlo, il team ha misurato gli spettri di fotoelettroni a raggi X su borofene coperto e scoperto con hBN, dopo aver esposto le superfici a dosi incrementali di ossigeno molecolare a temperatura ambiente. A differenza del borofene nudo, il borofene ricoperto di hBN è rimasto completamente invariato, per evidenziare l'impatto dell'hBN come strato protettivo contro l'ossidazione del borofene.
Crescita del borofene sul rame e prospettive generali
Per comprendere gli effetti della deposizione chimica da vapore (CVD) su diversi substrati metallici, Cuxart et al. ha anche studiato la crescita del borofene sul rame (Cu) (III), un supporto interagente più debole. In questo caso, hanno dosato 18 l di diborano su un cristallo singolo di rame mantenuto a 773 K. Gli scienziati hanno quindi caratterizzato il materiale risultante per rivelare la presenza di domini monocristallini. In questo modo, scegliendo superfici sia in rame che in iridio, Marc G. Cuxart e colleghi hanno mostrato come strutture simili potrebbero essere formate attraverso approcci diversi. I risultati hanno verificato la possibilità di utilizzare il metodo CVD per fornire boro, per generare borofeni ed eterostrutture con hBN. Il lavoro ha ulteriormente supportato la possibilità di utilizzare la via di deposizione chimica da vapore per formare polimorfi di borofene a base di diborano come fonte di boro. Il team ha sottolineato l'importanza dei precursori di elevata purezza per depositare selettivamente singole fasi. Il metodo può essere utilizzato su diversi substrati per aprire un percorso per la crescita in situ di eterostrutture basate su materiali a bassa dimensione che proteggono il borofene dall'ossidazione. Questo approccio può aprire una gamma di metodi per studiare gli aspetti fondamentali dei materiali sintetici 2D per applicazioni tecnicamente rilevanti. + Esplora ulteriormente
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