CVD-tillväxt av borofen- och borofen-hBN-heterostrukturer på Ir(111). (A) Schematisk över diborandosering på den förvärmda Ir(111)-ytan för att erhålla borofen. (B) STM-bild av en enkelkristallin borofendomän odlad med CVD på Ir(111) (Vbias =0,1 V). (C) Detaljerad struktur av borofen vars enhetscell är avbildad i rött (Vbias =2,0 V). (D) Schematisk av sekventiell borazin- och diborandosering för att erhålla borofen-hBN laterala heterostrukturer. (E) Högupplöst STM-bild av den laterala heterostrukturen som bildas av borofen och hBN (Vbias =1,2 V). Röda linjer framhäver χ6-borofenens vågiga utseende, och gröna solida och streckade romboider framhäver enhetscellen respektive det hexagonala moirémönstret för hBN. (F) XPS bor och kväve 1s kärnnivåer mätt på borofen. (G) Schematisk över den vertikala heterostrukturen, med hBN som täcker borofen, odlad genom sekventiell dosering. (H) Atomiskt upplöst bild av hBN-gittret som täcker borofenen i den vertikala heterostrukturen. (Vbias =0,10 V; subtil 3D-rendering användes för bättre visualisering). (I) Masspektra för diboran och borazingas som används för att odla borofen respektive hBN, mätt vid ett partialtryck på 3 × 10 −7 mbar. Kredit:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Syntetiska organiska kemister strävar fortfarande efter att förstå den skalbara syntesen av elementära, tvådimensionella (2D) material bortom grafen. I en ny rapport introducerade Marc G. Cuxart och ett team av forskare inom fysik, kemi och elektro- och datorteknik i Frankrike och Tyskland en mångsidig metod för kemisk ångavsättning (CVD) för att odla borofener och borofenheterostrukturer genom selektiv användning av diboran som härrör från spårbara biprodukter av borazin. Teamet syntetiserade framgångsrikt metalliska borofenpolymorfer på iridium (IR) (III) och koppar (Cu) (III) enkristallsubstrat tillsammans med isolerande hexagonal bornitrid (hBN) för att bilda atomärt exakta laterala borofen-hBN-gränssnitt. Denna struktur skyddade borofen från omedelbar oxidation på grund av närvaron av ett enda isolerande hBN-överskikt. Detta direkta tillvägagångssätt och förmåga att syntetisera högkvalitativa borofener med stora enkristallina domäner via kemisk ångavsättning kan öppna en rad möjligheter att studera deras grundläggande egenskaper. Verket är nu publicerat i Science Advances .
Syntes av borofener
Möjligheten att syntetisera 2D-material utan naturligt förekommande skiktade analoger har öppnat en ny väg till egenskapsteknik baserat på valet av beståndsdelar och utformningen av atomstrukturer i planet. Elementarskikten av olika 2D syntetiska material stabiliseras av starka kovalenta bindningar. Borofener erbjuder intressanta anisotropa, elektroniska och mekaniska egenskaper för att ge kontroll över egenskaper och nya funktioner. Dessa resultat har drivit experimentella ansträngningar för att syntetisera stabila 2D-polymorfer av bor kända som borofener. Under 2015 syntetiserade forskare atomärt tunna borofener genom att deponera bor från fasta källor med hög renhet på ytan av en silverenkristall i ultrahögt vakuum, enligt en fysisk ångavsättningsmetod. Forskare tillämpade sedan denna procedur på olika ytor, men avsaknaden av en lämplig borprekursor för att få 2D kärnbildning och tillväxt var ett stort hinder för att producera atomärt tunna borofener. I detta arbete har Cuxart et al. identifierade därför diboran (B2 H6 ) i kommersiellt borazin, baserat på tidigare studier. Genom att använda diboran som en molekylär föregångare till högkvalitativ tillväxt av atomärt tunna borofenskikt, utvecklade de en enkel och reglerad CVD-väg för att bilda oöverträffade vertikala och laterala heterostrukturer. Arbetet öppnar en ny väg för att utforska borofenegenskaper i van der Waals heterostrukturer och enheter.
Borofen-hBN lateralt gränssnitt på Ir(111). (A) Högupplöst STM-bild av det atomärt skarpa heterogränssnittet som bildas av borofen och hBN (Vbias =- 0,5 V). Subtil 3D-rendering användes för bättre visualisering. Gränssnittsregistret markeras av de röda och gröna linjerna. (B) dI/dV-spektra tagna på borofen- och hBN-kant- och dalregioner, tillsammans med (C) samtidigt förvärvade I(V)-kurvor (stabiliseringsförhållanden:Vbias =1,5 V, It =0,25 nA, låsningsmodulationsspänning V =50 mV). Borofenspektra representerar ett medelvärde över enhetscellen. (D) dI/dV-intensitetskarta konstruerad från serien av dI/dV-spektra uppmätt längs den blå linjen markerad på STM-bilden (Vbias =2,0 V) som visar en skarp elektronisk övergång. Spektra stabiliserade vid Vbias =1,5 V och It =0,4 nA, låsningsmodulationsspänning V =50 mV. STM-bilder uppmätta vid (E) Vbias =2,7 och (F) Vbias =- 0,8 V, visar en förspänningsberoende kontrastinversion mellan borofen och hBN. Kredit:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Under studien har Cuxart et al. doserade diboran på en förvärmd, atomärt ren och plan yta efter selektiv filtrering från borazin genom att applicera en frys-upptiningscykel på prekursordoseringssystemet. Under borazinsyntes bildade aminboran en viktig mellanprodukt för att fungera som en källa för diboran. Teamet krediterade närvaron och den kontinuerliga reformeringen av diboran till ett pågående sönderfall av inneboende eller förvärvade spårföroreningar i den kommersiella borazinprekursorn, som ofta används för hBN-monolagersyntes. Forskarna karakteriserade sedan det resulterande materialet med hjälp av lågtemperatur scanning tunneling microscopy (STM) och röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS). STM-bilderna visade ett "vågigt" mönster genom att dosera diboran på iridium. För att utveckla borofen med denna metod, Cuxart et al. introducerade en mångsidig metod för kemisk ångavsättning. XPS-karakteriseringen indikerade borofenpolymorfen som växt genom kemisk ångavsättning för att bekräfta närvaron av bor och frånvaron av kväve. Teamet studerade den kombinerade tillväxten av borofen och enskikts-hBN som ett multifunktionellt, isolerande 2D-material.
Undersöker borofen-hBN-heterostrukturer
hBN på borofen:vertikal heterostruktur på Ir(111). (A) Atomiskt upplöst STM-bild av en hBN-domän, med dess bikakestruktur, på χ6-borofen, som visar dess randiga utseende på Ir(111) (hBN-enhetscell i grönt, Vbias =1,0 V). Subtil 3D-rendering har använts för bättre visualisering. Insättning:LEED-mönster förvärvat vid 79 eV (simulerat diffraktionsmönster av hBN i grönt och borofen i rött). (B) Bor och (C) kväve 1s XP-spektra. De inpassade komponenterna för hBN- och borofenspektrala bidrag visas i grönt respektive rött. (D) B 1s topp uppmätt vid olika fotoelektronemissionsvinklar θ =0°, 45°, 55°, 60°, 65° och 70° (linjer från mörkt till ljusblått). (E) Vinkelberoende av den relativa intensiteten av borofen B 1s komponenter och Beer-Lambert lag passar i svart som beskriver dämpningseffekten av hBN-överskiktet. (F) Serie av B 1s-spektra uppmätt på hBN-täckt borofen efter inkrementella O2-exponeringsintervall avslöjar inga tecken på oxidation i motsats till ett otäckt borofenprov som visar uppkomst av oxiderat bor (G). Intensitetskartor i bakgrunden är konstruerade med de presenterade spektra. Kredit:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.abk1490
CVD-tillväxt av borofen på Cu(111). (A) STM-bild av en enkelkristallin χ3-liknande borofendomän (Vbias =1,3 V). Det övre högra inlägget visar en snabb Fourier-transform av bilden. Skanningsområdet är markerat i den nedre vänstra insatsen (tunnelströmkanal, Vbias =1,3 V). (B och C) Högupplösta STM-bilder av samma borofendomän inspelade vid Vbias =0,5 respektive -3,0 V. Svarta vektorer indikerar enhetscellen. Kredit:Science Advances , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Forskarna noterade vidare bildandet av ett rakt och skarpt 1-D-gränssnitt som stöds av en beskrivning i atomär skala av bindningskonfigurationen genom att använda densitetsfunktionsteori. Resultatet observerades också experimentellt via den atomiskt upplösta STM-bilden (scanning tunneling microscopy). Teamet visade hur elektronövergångar från borofen till hBN skedde utan ett uppenbart gränssnittstillstånd, vilket Cuxart et al. identifieras med användning av scanning tunneling spectra (STS). De utvecklade sedan ytterligare metoder för att producera en borofen-hBN-heterostruktur genom att dosera 1,8 L diboran och 4,5 L borazin på iridium. Doserna motsvarade tillväxten av ett helt monoskikt av borofen och hBN på iridiumytor. Med hjälp av skanningstunnelmikroskopi fick de en hBN-bikakestruktur för att sedan indikera svaga interaktioner mellan hBN och borofen. De svaga diffraktionspunkterna visade ytterligare inriktningen av borofenöverbyggnaden med hBN-höljet. För att förhindra oxidation av borofen som annars kan begränsa dess stabilitet vid exponering för luft, Cuxart et al. undersökte den skyddande lockeffekt som inert hBN gav borofen. För att studera detta mätte teamet röntgenfotoelektronspektra på hBN-täckt och avtäckt borofen - efter att ha exponerat ytorna för inkrementella doser av molekylärt syre vid rumstemperatur. I motsats till bar borofen förblev den hBN-täckta borofenen helt oförändrad, för att framhäva effekten av hBN som ett skyddande lager mot oxidation av borofen.
Tillväxt av borofen på koppar och den övergripande utsikten
För att förstå effekterna av kemisk ångavsättning (CVD) över olika metalliska substrat, Cuxart et al. studerade också tillväxten av borofen på koppar (Cu) (III), ett svagare interagerande stöd. I det här fallet doserade de 18 liter diboran på en enkristall av koppar som hölls vid 773 K. Forskarna karakteriserade sedan det resulterande materialet för att avslöja närvaron av enkristallina domäner. På så sätt, genom att välja både koppar- och iridiumytor, visade Marc G. Cuxart och kollegor hur liknande strukturer kunde bildas via olika tillvägagångssätt. Resultaten verifierade möjligheten att använda CVD-metoden för att leverera bor, för att generera borofener och heterostrukturer med hBN. Arbetet stödde vidare möjligheten att använda den kemiska ångavsättningsvägen för att bilda borofenpolymorfer baserade på diboran som en borkälla. Teamet betonade vikten av prekursorer med hög renhet för att selektivt deponera enstaka faser. Metoden kan användas på olika substrat för att öppna en väg för in-situ tillväxt av heterostrukturer baserade på lågdimensionella material som skyddar borofen från oxidation. Detta tillvägagångssätt kan öppna en rad metoder för att studera de grundläggande aspekterna av syntetiska 2D-material för tekniskt relevanta tillämpningar. + Utforska vidare
© 2021 Science X Network
