Borofen-tvådimensionella (2-D) atom-tunna ark av bor, ett kemiskt element som traditionellt finns i glasfiberisolering - är allt annat än tråkigt. Även om bor är en icke-metallisk halvledare i sin bulk (3-D) form, det blir en metallisk ledare i 2-D. Borofen är extremt flexibel, stark, och lätt-ännu mer än den kolbaserade analogen, grafen. Dessa unika elektroniska och mekaniska egenskaper gör borofen till en lovande materialplattform för nästa generations elektroniska enheter såsom bärbara, biomolekylsensorer, ljusdetektorer, och kvantdatorer.

Nu, fysiker från US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Yale University har syntetiserat borofen på kopparsubstrat med stora ytor (varierande i storlek från 10 till 100 mikrometer) enkristall-domäner (för referens, en hårstrå är cirka 100 mikrometer bred). Tidigare, endast nanometer-storlek enkristallflagor av borofen hade producerats. Förskottet, rapporterade den 3 december Naturnanoteknik , utgör ett viktigt steg för att möjliggöra praktiska borofenbaserade enheter.

För elektroniska applikationer, enkelkristaller av hög kvalitet-periodiska arrangemang av atomer som fortsätter genom hela kristallgitteret utan gränser eller defekter-måste fördelas över stora ytor av ytmaterialet (substratet) som de odlas på. Till exempel, dagens mikrochips använder enstaka kristaller av kisel och andra halvledare. Enhetstillverkning kräver också en förståelse för hur olika substrat och tillväxtförhållanden påverkar ett materials kristallstruktur, som bestämmer dess egenskaper.

"Vi ökade storleken på enkristalldomänerna med en faktor på en miljon, "sa medförfattare och projektledare Ivan Bozovic, seniorvetare och molekylär stråle Epitaxy gruppledare vid Brookhaven Labs avdelning för kondenserad materia fysik och materialvetenskap (CMPMS) och adjungerad professor i tillämpad fysik vid Yale University. "Stora domäner krävs för att tillverka nästa generations elektroniska enheter med hög elektronmobilitet. Elektroner som enkelt och snabbt kan röra sig genom en kristallstruktur är nyckeln till att förbättra enhetens prestanda."

Ett nytt 2-D-material

Sedan upptäckten av grafen 2004 - ett enda ark kolatomer, som kan skalas från grafit, kärnkomponenten i pennor, med skotsk tejp-forskare har letat efter andra 2-D-material med anmärkningsvärda egenskaper. De kemiska bindningarna mellan kolatomer som ger grafen med sin styrka gör det svårt att manipulera dess struktur.

Teoretiker förutspådde det boret (bredvid kol i det periodiska systemet, med en mindre elektron) avsatt på ett lämpligt valt substrat kan bilda ett 2-D-material som liknar grafen. Men denna förutsägelse bekräftades inte experimentellt förrän för tre år sedan, när forskare syntetiserade borofen för första gången. De deponerade bor på silversubstrat under ultrahögvakuumförhållanden genom molekylär stråleepitaxy (MBE), en exakt kontrollerad atomisk skikt-för-lager kristalltillväxtteknik. Strax därefter, en annan grupp forskare odlade borofen på silver, men de föreslog en helt annan kristallstruktur.

"Borofen liknar strukturellt grafen, med ett sexkantigt nätverk av bor (istället för kol) atomer på var och en av de sex hörnen som definierar sexkanten, "sa Bozovic." Men borofen är annorlunda genom att den periodiskt har en extra boratom i sexkantens mitt. Kristallstrukturen tenderar att vara teoretiskt stabil när ungefär fyra av fem mittenlägen är upptagna och en ledig. "

Enligt teorin, medan antalet lediga platser är fast, deras arrangemang är inte. Så länge vakanserna fördelas på ett sätt som upprätthåller den mest stabila (lägsta energin) strukturen, de kan ordnas om. På grund av denna flexibilitet, borofen kan ha flera konfigurationer.

Ett litet steg mot tillverkning av enheter

I den här studien, forskarna undersökte först tillväxten av borofen i realtid på silverytor vid olika temperaturer. De odlade proverna på Yale i ett ultrahögt vakuum lågenergi elektronmikroskop (LEEM) utrustat med ett MBE-system. Under och efter tillväxtprocessen, de bombarderade provet med en elektronstråle vid låg energi och analyserade mönstren med låg energi-elektrondiffraktion (LEED) som producerades när elektroner reflekterades från kristallytan och projicerades på en detektor. Eftersom elektronerna har låg energi, de kan bara nå de första atomskikten i materialet. Avståndet mellan de reflekterade elektronerna ("fläckar" i diffraktionsmönstren) är relaterat till avståndet mellan atomer på ytan, och från denna information, forskare kan rekonstruera kristallstrukturen.

I detta fall, mönstren avslöjade att enkristallborofendomänerna endast var tiotals nanometer stora-för små för att tillverka enheter och studera grundläggande fysiska egenskaper-för alla tillväxtförhållanden. De löste också kontroversen om borofens struktur:båda strukturerna finns, men de bildas vid olika temperaturer. Forskarna bekräftade sina LEEM- och LEED -resultat genom atomkraftsmikroskopi (AFM). I AFM, en skarp spets skannas över en yta, och den uppmätta kraften mellan spetsen och atomerna på ytan används för att kartlägga atomarrangemanget.

För att främja bildandet av större kristaller, forskarna bytte sedan substratet från silver till koppar, tillämpa samma LEEM, LEED, och AFM -tekniker. Brookhaven-forskarna Percy Zahl och Ilya Drozdov avbildade också ytstrukturen i hög upplösning med hjälp av ett specialbyggt skanningstunnelmikroskop (STM) med en kolmonoxidprobespets vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN)-ett amerikanskt energidepartement (DOE) Office of Science användaranläggning. Yale-teoretikerna Stephen Eltinge och Sohrab Ismail-Beigi utförde beräkningar för att bestämma stabiliteten hos de experimentellt erhållna strukturerna. Efter att ha identifierat vilka strukturer som var mest stabila, de simulerade elektrondiffraktionsspektra och STM -bilder och jämförde dem med experimentella data. Denna iterativa process fortsatte tills teori och experiment var överens.

"Från teoretiska insikter, vi förväntade oss att koppar skulle producera större enstaka kristaller eftersom det interagerar starkare med borofen än silver, "sa Bozovic." Koppar donerar några elektroner för att stabilisera borofen, men materialen interagerar inte för mycket för att bilda en förening. Enkelkristallerna är inte bara större, men borofens strukturer på koppar skiljer sig från de som odlas på silver. "

Eftersom det finns flera möjliga fördelningar av lediga platser på ytan, olika kristallstrukturer av borofen kan dyka upp. Denna studie visade också hur borofens struktur kan modifieras genom att byta substrat och, i vissa fall, temperaturen eller avsättningshastigheten.

Nästa steg är att överföra borofenplåtarna från de metalliska kopparytorna till isolerande enhetskompatibla substrat. Sedan, forskare kommer att kunna mäta resistivitet och andra elektriska egenskaper som är viktiga för enhetens funktionalitet. Bozovic är särskilt glada över att testa om borofen kan göras supraledande. Vissa teoretiker har spekulerat i att dess ovanliga elektroniska struktur till och med kan öppna en väg till förlustfri överföring av elektricitet vid rumstemperatur, i motsats till de ultrakylda temperaturerna som vanligtvis krävs för supraledning. I sista hand, målet med 2-D materialforskning är att kunna finjustera egenskaperna hos dessa material för att passa specifika applikationer.