您的位置: 花繁落烬 > 故事

2D材料平台上的硼烯研究进展

2019-07-08来源:花繁落烬

含大单晶的硼原子薄片可为下一代电子器件的制备提供基础

英文来源:美国能源部/布鲁克海文国家实验室

纽约州厄普顿——硼烯--二维(2-D)原子薄片硼,一种传统的玻璃纤维绝缘中发现的化学元素---一点也不乏味。虽然硼是一种块状(3-D)的非金属半导体,但它在2-D中变成了金属导体。硼烯具有极高的灵活性、强度和重量——甚至比碳基类似物石墨烯还要大。这些独特的电子和机械特性使硼烯成为下一代电子设备的理想材料平台,如可穿戴设备、生物分子传感器、光探测器和量子计算机。

现在,来自美国能源部布鲁克海文国家实验室和耶鲁大学的物理学家们在铜基片上合成了硼烯,其面积大(从10微米到100微米)单晶域(参考,一根头发的宽度约为100微米)。以前,只有纳米尺寸的硼烯单晶片被生产出来。12月3日在《自然纳米技术》上报告的这一进展,是使基于硼烯的实用装置成为可能的重要一步。

对于电子应用来说,高质量的单晶——原子在整个晶格内的周期性排列,没有边界或缺陷——必须分布在生长它们的表面材料(基体)的大片区域。例如,今天的微芯片使用单晶硅和其他半导体。器件制造还需要了解不同的基体和生长条件如何影响决定材料性能的晶体结构。

“我们将单晶区域的大小增加了100万倍,”合著者、项目负责人伊万·博佐维奇(Ivan Bozovic)说。他是布鲁克海文实验室凝聚态物理与材料科学系(CMPMS)的高级科学家和分子束外延小组组长,也是耶鲁大学应用物理学的兼职教授。“制造具有高电子迁移率的下一代电子设备需要大的领域。能在晶体结构中快速移动的电子是提高器件性能的关键。

一种新的二维材料

自2004年发现石墨烯以来,科学家们一直在寻找其他具有显著性能的2d材料。石墨烯是一种单片碳原子,可以用透明胶带从铅笔的核心部件石墨中剥离出来。赋予石墨烯强度的碳原子之间的化学键使得操纵其结构变得困难。

理论学家预测,硼(元素周期表上碳旁边,少了一个电子)沉积在适当选择的基底上,可以形成类似石墨烯的二维材料。但是这个预测直到三年前才得到实验证实,当时科学家首次合成了硼酚。他们通过分子束外延技术(MBE)在超高真空条件下将硼沉积在银基体上,MBE是一种精确控制原子逐层晶体生长的技术。此后不久,另一组科学家在银上培育了硼烯,但他们提出了一种完全不同的晶体结构。

“硼烯在结构上与石墨烯相似,六边形网络由硼原子(而不是碳原子)构成,六边形由六个顶点组成,”Bozovic说。然而,硼烯的不同之处在于,它在六边形的中心周期性地有一个额外的硼原子。当每五个中心位置中有四个被占据,一个是空的时候,晶体结构在理论上趋于稳定。

根据理论,虽然空缺的数量是固定的,但空缺的安排却不是固定的。只要空缺以保持最稳定(最低能量)结构的方式分布,它们就可以重新排列。由于这种灵活性,硼烯可以有多种构型。

迈向设备制造的一小步

在这项研究中,科学家们首先研究了不同温度下硼烯在银表面的实时生长。他们在耶鲁大学用配备了MBE系统的超高真空低能电子显微镜(LEEM)培养了这些样品。在生长过程中和之后,他们用一束低能电子轰击样品,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)图样。由于电子能量低,它们只能到达材料的前几个原子层。反射电子之间的距离(衍射图样中的“斑点”)与表面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,这些图案显示,对于所有生长条件而言,单晶硼烯结构域只有几十纳米大小——对于制造器件和研究基本物理特性来说太小了。他们还解决了关于硼烯结构的争议:这两种结构都存在,但它们在不同的温度下形成。科学家们通过原子力显微镜(AFM)证实了他们的LEEM和LEED结果。在原子力显微镜中,锐利的尖端被扫描到表面上,尖端与表面原子之间的力被用来绘制原子的排列。

为了促进更大晶体的形成,科学家们使用相同的LEEM、LEED和AFM技术,将基底从银转变为铜。布鲁克海文的科学家Percy Zahl和Ilya Drozdov也在布鲁克海文的功能性纳米材料中心(CFN)——美国能源部(DOE)科学用户设施办公室——使用一个定制的带有一氧化碳探针的扫描隧道显微镜(STM),以高分辨率成像了表面结构。耶鲁大学的理论家斯蒂芬·埃尔丁奇(Stephen Eltinge)和索拉博·伊斯梅尔-贝吉(Sohrab Ismail-Beigi)进行了计算,以确定实验获得的结构的稳定性。在确定了最稳定的结构之后,他们模拟了电子衍射光谱和STM图像,并与实验数据进行了比较。这个迭代过程一直持续到理论和实验一致为止。

Bozovic说:“从理论上讲,我们预计铜会产生更大的单晶,因为它与硼烯的相互作用比银更强。”“铜提供了一些电子来稳定硼烯,但这些材料之间的相互作用不太大,不足以形成化合物。”这种单晶不仅更大,而且在铜上的硼烯结构也不同于在银上生长的任何种类。

由于表面有几种可能的空位分布,因此会出现不同的硼烯晶体结构。本研究还展示了如何通过改变底物和某些情况下的温度或沉积速率来改变硼烯的结构。

下一步是将硼烯片从金属铜表面转移到与设备兼容的绝缘基板上。然后,科学家将能够准确测量电阻率和其他对设备功能很重要的电特性。Bozovic特别兴奋地想要测试硼烷是否可以被制成超导材料。一些理论家推测,它不寻常的电子结构甚至可能开辟一条在室温下无损传输电力的道路,而不是超导通常需要的超低温。最终,二维材料研究的目标是能够微调这些材料的性能,以适应特定的应用。

本文由花繁落烬整理,内容仅供参考,未经书面授权禁止转载!图片来源图虫创意,版权归原作者所有。

相关阅读

  • 2D材料平台上的硼烯研究进展

    2D材料平台上的硼烯研究进展

    这些独特的电子和机械特性使硼烯成为下一代电子设备的理想材料平台,如可穿戴设备、生物分子传感器、光探测器和量子计算机。

    2019-07-08