Un esquema de redes hexagonales de átomos de boro (rosa), que se encuentran en los nodos hexagonales y periódicamente en el centro del hexágono, crecido sobre una superficie de átomos de cobre (marrón). Los científicos utilizaron un microscopio electrónico de baja energía (LEEM) para observar cómo crecían las "islas" de borofeno (triángulos amarillos en el círculo izquierdo). cambiando la temperatura, tasa de deposición, y otras condiciones de crecimiento en tiempo real para refinar la "receta". Las islas pueden asentarse en la superficie en seis orientaciones diferentes y se pueden discriminar seleccionando un punto de difracción de electrones (como el que está marcado con un círculo en amarillo) correspondiente a una orientación particular (la que está conectada con la línea de puntos). Eventualmente las islas crecen hasta tal punto que se tocan y se encuentran, y toda la superficie (un centímetro cuadrado) está cubierta de borofeno, como se ve en el círculo de la derecha. Los colores se agregaron para distinguir regiones con diferentes orientaciones. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
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 forma a granel (3-D), se convierte en un conductor metálico en 2-D. El borofeno es extremadamente flexible, fuerte, y ligero, incluso más que su análogo a base de carbono, grafeno. Estas propiedades electrónicas y mecánicas únicas hacen del borofeno una plataforma de material prometedora para los dispositivos electrónicos de próxima generación, como los wearables, sensores de biomoléculas, detectores de luz, y computadoras cuánticas.
Ahora, Los físicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y 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 hebra de cabello humano mide aproximadamente 100 micrómetros de ancho). Previamente, sólo se habían producido escamas de borofeno de cristal único de tamaño nanométrico. El avance, informó 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. Por ejemplo, Los microchips actuales utilizan cristales únicos 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. 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 departamento de física de la materia condensada y ciencia de los materiales (CMPMS) del laboratorio de Brookhaven 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 de cristal son clave para mejorar el rendimiento del dispositivo".
Los científicos de Brookhaven Lab, Percy Zahl (izquierda), Ivan Bozovic (centro), e Ilya Drozdov en el Centro de Nanomateriales Funcionales. Aquí, utilizaron un microscopio de túnel de barrido hecho a medida para obtener imágenes de la estructura de la superficie de láminas bidimensionales de boro sobre cobre delgadas como átomos. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
Un nuevo material 2-D
Desde el descubrimiento del grafeno en 2004, una sola hoja de átomos de carbono, que se puede pelar de grafito, el componente central de los lápices, con cinta adhesiva:los científicos han estado a la caza de otros materiales bidimensionales con propiedades notables. Los enlaces químicos entre los átomos de carbono que imparten al grafeno su fuerza dificultan la manipulación de su estructura.
Los teóricos predijeron que el boro (junto al carbono en la tabla periódica, con un electrón menos) depositado sobre un sustrato elegido apropiadamente podría formar un material 2-D similar al grafeno. Pero esta predicción no se confirmó experimentalmente hasta hace tres años, cuando los científicos sintetizaron borofeno por primera vez. Depositaron boro sobre sustratos de plata en condiciones de vacío ultra alto a través de epitaxia de haz molecular (MBE), una técnica de crecimiento de cristales atómicos capa por capa controlada con precisión. Al poco tiempo después, otro grupo de científicos cultivó borofeno en 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 porque periódicamente tiene un átomo de boro adicional 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, mientras se fija el número de vacantes, su arreglo 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 investigaron por primera vez el crecimiento en tiempo real de borofeno en superficies plateadas a diversas temperaturas. Cultivaron las muestras en Yale en un microscopio electrónico de baja energía de vacío ultra alto (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. Debido a que los electrones tienen poca 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 de esta información, los científicos pueden reconstruir la estructura cristalina.
En este caso, los patrones revelaron que los dominios de borofeno monocristalino tenían sólo 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 diferentes temperaturas. 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 en la superficie se usa para mapear la disposición atómica.
Para promover la formación de cristales más grandes, Luego, los científicos cambiaron el sustrato de plata a cobre, aplicando el mismo LEEM, LEED, y técnicas 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 túnel de barrido (STM) hecho a medida con una punta de sonda de monóxido de carbono en el Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, un Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) Facilidad para usuarios de la Oficina de Ciencias. Los teóricos de Yale Stephen Eltinge y Sohrab Ismail-Beigi realizaron cálculos para 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 estuvieron de acuerdo.
"A partir de conocimientos teóricos, esperábamos que el cobre produjera cristales individuales más grandes porque interactúa más fuertemente con el borofeno que la plata, ", dijo Bozovic." El cobre dona algunos electrones para estabilizar el borofeno, pero los materiales no interactúan demasiado como para formar un compuesto. No solo los cristales individuales son más grandes, pero 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 se puede modificar la estructura del borofeno cambiando el sustrato y, en algunos casos, la temperatura o tasa de deposición.
El siguiente paso es transferir las láminas de borofeno de las superficies metálicas de cobre a sustratos compatibles con dispositivos aislantes. 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 borofeno se puede convertir en superconductor. Algunos teóricos han especulado que su estructura electrónica inusual puede incluso abrir un camino para la transmisión sin pérdidas de electricidad a temperatura ambiente. a diferencia de las temperaturas ultrafrías que normalmente se requieren para la superconductividad. Por último, El objetivo en la investigación de materiales 2-D es poder ajustar las propiedades de estos materiales para adaptarse a aplicaciones particulares.
