El borofeno - láminas delgadas de átomos bidimensionales 2-D de boro, un elemento químico que se encuentra tradicionalmente en el aislamiento de fibra de vidrio - es todo menos aburrido. Aunque el boro es un semiconductor no metálico en su mayor parte 3-Dforma, se convierte en un conductor metálico en 2-D. El borofeno es extremadamente flexible, fuerte y liviano, incluso más que su análogo a base de carbono, el grafeno. Estas propiedades electrónicas y mecánicas únicas hacen del borofeno una plataforma de material prometedora para los próximos años.dispositivos electrónicos de generación como wearables, sensores de biomoléculas, detectores de luz y computadoras cuánticas.
Ahora, físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. DOE y de la Universidad de Yale han sintetizado borofeno en sustratos de cobre con dominios monocristalinos de gran área que varían en tamaño de 10 a 100 micrómetros como referencia, una hebrade cabello humano mide aproximadamente 100 micrómetros de ancho. Anteriormente, solo se habían producido escamas de borofeno monocristalino de tamaño nanométrico. El avance, informado el 3 de diciembre en Nanotecnología de la naturaleza , representa un paso importante para hacer posibles los dispositivos prácticos basados en borofeno.
Para aplicaciones electrónicas, los monocristales de alta calidad - arreglos periódicos de átomos que continúan a lo largo de toda la red cristalina sin límites ni defectos - deben distribuirse en grandes áreas del material de la superficie sustrato en el que crecen. ParaPor ejemplo, los microchips de hoy usan monocristales de silicio y otros semiconductores. La fabricación de dispositivos también requiere una comprensión de cómo los diferentes sustratos y condiciones de crecimiento impactan la estructura cristalina de un material, lo que determina sus propiedades.
"Aumentamos el tamaño de los dominios monocristalinos en un factor de un millón", dijo el coautor y líder del proyecto Ivan Bozovic, científico senior y líder del grupo de epitaxia de haces moleculares en el laboratorio de ciencia de materiales y física de la materia condensada CMPMS de Brookhaven Lab. Departamento y profesor adjunto de física aplicada en la Universidad de Yale. "Se requieren grandes dominios para fabricar dispositivos electrónicos de próxima generación con alta movilidad de electrones. Los electrones que pueden moverse fácil y rápidamente a través de una estructura cristalina son clave para mejorar el rendimiento del dispositivo".
Un nuevo material 2-D
Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, una única hoja de átomos de carbono, que se puede despegar del grafito, el componente central de los lápices, con cinta adhesiva, los científicos han estado en la búsqueda de otros materiales 2-D con propiedades notables.Los enlaces químicos entre los átomos de carbono que imparten fuerza al grafeno dificultan la manipulación de su estructura.
Los teóricos predijeron que el boro junto al carbono en la tabla periódica, con un electrón menos depositado en un sustrato elegido adecuadamente podría formar un material 2-D similar al grafeno. Pero esta predicción no se confirmó experimentalmente hasta hace tres años, cuandoLos científicos sintetizaron borofeno por primera vez. Depositaron boro sobre sustratos de plata en condiciones de vacío ultra alto mediante epitaxia de haz molecular MBE, una técnica de crecimiento de cristales atómicos capa por capa controlada con precisión. Poco después, otro grupo de científicos cultivó borofenoen plata, pero propusieron una estructura cristalina completamente diferente.
"El borofeno es estructuralmente similar al grafeno, con una red hexagonal hecha de átomos de boro en lugar de carbono en cada uno de los seis vértices que definen el hexágono", dijo Bozovic. "Sin embargo, el borofeno es diferente en que periódicamente tiene un extraátomo de boro en el centro del hexágono. La estructura cristalina tiende a ser teóricamente estable cuando aproximadamente cuatro de cada cinco posiciones centrales están ocupadas y una está vacía ".
Según la teoría, si bien el número de vacantes es fijo, su disposición no lo es. Siempre que las vacantes se distribuyan de manera que se mantenga la estructura más estable menor energía, se pueden reorganizar. Debido a esta flexibilidad,el borofeno puede tener múltiples configuraciones.
Un pequeño paso hacia la fabricación de dispositivos
En este estudio, los científicos primero investigaron el crecimiento en tiempo real de borofeno en superficies de plata a varias temperaturas. Cultivaron las muestras en Yale en un microscopio electrónico de vacío ultra alto y baja energía LEEM equipado con un sistema MBE.Durante y después del proceso de crecimiento, bombardearon la muestra con un haz de electrones a baja energía y analizaron los patrones de difracción de electrones de baja energía LEED producidos cuando los electrones se reflejaban desde la superficie del cristal y se proyectaban en un detector. Porque los electrones tienende baja energía, solo pueden alcanzar las primeras capas atómicas del material. La distancia entre los electrones reflejados "puntos" en los patrones de difracción está relacionada con la distancia entre los átomos en la superficie y, a partir de esta información, los científicos pueden reconstruirla estructura cristalina.
En este caso, los patrones revelaron que los dominios de borofeno monocristalino tenían solo decenas de nanómetros de tamaño, demasiado pequeños para fabricar dispositivos y estudiar propiedades físicas fundamentales, para todas las condiciones de crecimiento. También resolvieron la controversia sobre la estructura del borofeno: ambas estructuras existen, pero se forman a temperaturas diferentes. Los científicos confirmaron sus resultados LEEM y LEED mediante microscopía de fuerza atómica AFM. En AFM, se escanea una punta afilada sobre una superficie y la fuerza medida entre la punta y los átomos enla superficie se utiliza para mapear la disposición atómica.
Para promover la formación de cristales más grandes, los científicos cambiaron el sustrato de plata a cobre, aplicando las mismas técnicas LEEM, LEED y AFM. Los científicos de Brookhaven Percy Zahl e Ilya Drozdov también tomaron imágenes de la estructura de la superficie a alta resolución utilizando un-Microscopio de barrido de túnel STM construido con una punta de sonda de monóxido de carbono en el Centro de Nanomateriales Funcionales CFN de Brookhaven, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. Los teóricos de Yale Stephen Eltinge y Sohrab Ismail-Beigi realizaron cálculospara determinar la estabilidad de las estructuras obtenidas experimentalmente. Después de identificar qué estructuras eran más estables, simularon los espectros de difracción de electrones y las imágenes STM y las compararon con los datos experimentales. Este proceso iterativo continuó hasta que la teoría y el experimento coincidieron.
"A partir de los conocimientos teóricos, esperábamos que el cobre produjera cristales individuales más grandes porque interactúa más fuertemente con el borofeno que con la plata", dijo Bozovic. "El cobre dona algunos electrones para estabilizar el borofeno, pero los materiales no interactúan demasiado como para formar uncompuesto. No solo los cristales individuales son más grandes, sino que las estructuras del borofeno en el cobre son diferentes de las que se cultivan en la plata ".
Debido a que hay varias distribuciones posibles de vacantes en la superficie, pueden surgir varias estructuras cristalinas de borofeno. Este estudio también mostró cómo la estructura del borofeno puede modificarse cambiando el sustrato y, en algunos casos, la temperatura o la tasa de deposición.
El siguiente paso es transferir las láminas de borofeno de las superficies metálicas de cobre a sustratos aislantes compatibles con dispositivos. Luego, los científicos podrán medir con precisión la resistividad y otras propiedades eléctricas importantes para la funcionalidad del dispositivo. Bozovic está particularmente emocionado de probar si el borofenopuede convertirse en superconductora. Algunos teóricos han especulado que su estructura electrónica inusual puede incluso abrir un camino para la transmisión sin pérdidas de electricidad a temperatura ambiente, en contraposición a las temperaturas ultra frías que generalmente se requieren para la superconductividad. En última instancia, el objetivo en la investigación de materiales 2-D espara poder ajustar las propiedades de estos materiales para adaptarse a aplicaciones particulares.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Brookhaven . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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