Borofenos de forma fácil

Crecimiento CVD de heteroestructuras de borofeno y borofeno-hBN en Ir(111). (A) Esquema de dosificación de diborano en la superficie Ir(111) precalentada para obtener borofeno. (B) Imagen STM de un dominio de borofeno monocristalino desarrollado por CVD en Ir(111) (Vbias =0,1 V). (C) Estructura detallada del borofeno cuya celda unitaria se representa en rojo (Vbias =2,0 V). (D) Esquema de dosificación secuencial de borazina y diborano para obtener heteroestructuras laterales de borofeno-hBN. (E) Imagen STM de alta resolución de la heteroestructura lateral formada por borofeno y hBN (Vbias =1,2 V). Las líneas rojas resaltan la apariencia ondulada del borofeno χ6, y los rombos verdes sólidos y discontinuos resaltan la celda unitaria y el patrón muaré hexagonal de hBN, respectivamente. (F) Niveles de núcleo XPS de boro y nitrógeno 1s medidos en borofeno. (G) Esquema de la heteroestructura vertical, con hBN que cubre borofeno, cultivado mediante dosificación secuencial. (H) Imagen resuelta atómicamente de la red de hBN que cubre el borofeno en la heteroestructura vertical. (Vbias =0,10 V; se aplicó una representación 3D sutil para una mejor visualización). (I) Espectros de masas de gas diborano y borazina utilizados para cultivar borofeno y hBN, respectivamente, medidos a una presión parcial de 3 × 10⁻⁷ mbar Crédito:Avances científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Los químicos orgánicos sintéticos todavía tienen como objetivo comprender la síntesis escalable de materiales elementales bidimensionales (2D) más allá del grafeno. En un nuevo informe, Marc G. Cuxart y un equipo de investigadores en física, química e ingeniería eléctrica e informática en Francia y Alemania, presentaron un método versátil de deposición química de vapor (CVD) para cultivar borofenos y heteroestructuras de borofeno mediante el uso selectivo de diborano procedente de subproductos rastreables de borazina. El equipo sintetizó con éxito polimorfos metálicos de borofeno en sustratos monocristalinos de iridio (IR) (III) y cobre (Cu) (III) junto con nitruro de boro hexagonal aislante (hBN) para formar interfaces laterales de borofeno-hBN atómicamente precisas. Esta estructura protegía al borofeno de la oxidación inmediata debido a la presencia de una sola capa aislante de hBN. Este enfoque directo y la capacidad de sintetizar borofenos de alta calidad con grandes dominios monocristalinos a través de la deposición química de vapor pueden abrir una serie de oportunidades para estudiar sus propiedades fundamentales. El trabajo se publica ahora en Science Advances .

Síntesis de borofenos

La capacidad de sintetizar materiales 2D sin análogos estratificados naturales ha abierto un nuevo camino a la ingeniería de propiedades basada en la elección de los elementos constituyentes y el diseño de estructuras atómicas en el plano. Las capas elementales de diferentes materiales sintéticos 2D se estabilizan mediante fuertes enlaces covalentes. Los borofenos ofrecen interesantes propiedades anisotrópicas, electrónicas y mecánicas para controlar las propiedades y funcionalidades emergentes. Estos resultados han impulsado los esfuerzos experimentales para sintetizar polimorfos 2D estables de boro conocidos como borofenos. En 2015, los investigadores sintetizaron borofenos atómicamente delgados depositando boros de fuentes sólidas de alta pureza en la superficie de un monocristal de plata en vacío ultraalto, siguiendo un método físico de deposición de vapor. Luego, los científicos aplicaron este procedimiento en varias superficies, pero la falta de un precursor de boro adecuado para impulsar la nucleación y el crecimiento 2D fue un impedimento importante para producir borofenos atómicamente delgados. En este trabajo, Cuxart et al. por lo tanto identificó diborano (B₂ H₆ ) en borazina comercial, basado en estudios previos. Usando diborano como precursor molecular del crecimiento de alta calidad de capas de borofeno atómicamente delgadas, desarrollaron una ruta CVD fácil y regulada para formar heteroestructuras verticales y laterales sin precedentes. El trabajo abre un nuevo camino para explorar las propiedades del borofeno en heteroestructuras y dispositivos de van der Waals.

Interfaz lateral de borofeno-hBN en Ir (111). (A) Imagen STM de alta resolución de la heterointerfaz atómicamente nítida formada por borofeno y hBN (Vbias =− 0,5 V). Se aplicó una representación 3D sutil para una mejor visualización. El registro interfacial está resaltado por las líneas rojas y verdes. (B) espectros dI/dV tomados en las regiones de borde y valle de borofeno y hBN, junto con (C) curvas I(V) adquiridas simultáneamente (condiciones de estabilización:Vbias =1,5 V, It =0,25 nA, voltaje de modulación de bloqueo V =50 mV). Los espectros de borofeno representan un promedio sobre la celda unitaria. (D) Mapa de intensidad dI/dV construido a partir de la serie de espectros dI/dV medidos a lo largo de la línea azul marcada en la imagen STM (Vbias =2,0 V) que muestra una transición electrónica nítida. Espectros estabilizados en Vbias =1,5 V e It =0,4 nA, voltaje de modulación de bloqueo V =50 mV. Imágenes STM medidas en (E) Vbias =2,7 y (F) Vbias =− 0,8 V, que muestran una inversión de contraste dependiente del sesgo entre el borofeno y el hBN. Crédito:Avances científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Experimentos y caracterización.

Durante el estudio, Cuxart et al. diborano dosificado sobre una superficie precalentada, atómicamente limpia y plana después de filtrar selectivamente la borazina aplicando un ciclo de congelación-descongelación al sistema de dosificación de precursores. Durante la síntesis de borazina, el borano de amina formó un intermediario principal para actuar como fuente de diborano. El equipo atribuyó la presencia y la reformación continua del diborano a una descomposición continua de impurezas traza inherentes o adquiridas en el precursor comercial de borazina, ampliamente utilizado para la síntesis de monocapas de hBN. Luego, los científicos caracterizaron el material resultante utilizando microscopía de túnel de barrido (STM) de baja temperatura y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS). Las imágenes STM mostraron un patrón "ondulado" al dosificar diborano en iridio. Para desarrollar borofeno usando este método, Cuxart et al. introdujo un método versátil de deposición química de vapor. La caracterización XPS indicó que el polimorfo de borofeno creció por deposición química de vapor para confirmar la presencia de boro y la ausencia de nitrógeno. El equipo estudió el crecimiento combinado de borofeno y hBN de una sola capa como material 2D aislante multifuncional.

Examen de heteroestructuras de borofeno-hBN

hBN sobre borofeno:heteroestructura vertical sobre Ir(111). (A) Imagen STM resuelta atómicamente de un dominio hBN, con su estructura de panal, en borofeno χ6, que muestra su apariencia rayada en Ir(111) (celda unitaria hBN en verde, Vbias =1,0 V). Se ha aplicado una representación 3D sutil para una mejor visualización. Recuadro:patrón LEED adquirido a 79 eV (patrón de difracción simulado de hBN en verde y borofeno en rojo). (B) Espectros XP de boro y (C) nitrógeno 1s. Los componentes ajustados de las contribuciones espectrales de hBN y borofeno se muestran en verde y rojo, respectivamente. (D) Pico B 1s medido en diferentes ángulos de emisión de fotoelectrones θ =0°, 45°, 55°, 60°, 65° y 70° (líneas de azul oscuro a azul claro). (E) La dependencia angular de la intensidad relativa de los componentes de borofeno B 1s y la ley de Beer-Lambert encajan en negro que describe el efecto de atenuación por la capa superpuesta de hBN. (F) La serie de espectros B 1s medidos en borofeno cubierto con hBN después de intervalos de exposición incrementales de O2 no revela signos de oxidación en contraste con una muestra de borofeno descubierta que muestra la aparición de boro oxidado (G). Los mapas de intensidad en el fondo se construyen con los espectros presentados. Crédito:Avances científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Crecimiento CVD de borofeno en Cu(111). (A) Imagen STM de un dominio de borofeno similar a χ3 monocristalino (Vbias =1,3 V). El recuadro superior derecho muestra una transformada rápida de Fourier de la imagen. El área de exploración se resalta en el recuadro inferior izquierdo (canal de corriente de tunelización, Vbias =1,3 V). (B y C) Imágenes STM de alta resolución del mismo dominio de borofeno registradas en Vbias =0,5 y -3,0 V, respectivamente. Los vectores negros indican la celda unitaria. Crédito:Avances científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Los científicos notaron además la formación de una interfaz 1-D recta y nítida respaldada por una descripción a escala atómica de la configuración de enlace mediante el uso de la teoría funcional de la densidad. El resultado también se observó experimentalmente a través de la imagen STM (microscopía de túnel de barrido) resuelta atómicamente. El equipo mostró cómo las transiciones de electrones de borofeno a hBN ocurrieron sin un estado de interfaz aparente, que Cuxart et al. identificados utilizando espectros de tunelización de barrido (STS). Luego desarrollaron métodos adicionales para producir una heteroestructura de borofeno-hBN dosificando 1,8 L de diborano y 4,5 L de borazina en iridio. Las dosis correspondieron al crecimiento de una monocapa completa de borofeno y hBN sobre superficies de iridio. Usando microscopía de túnel de barrido, obtuvieron una estructura de panal de hBN para luego indicar interacciones débiles entre hBN y borofeno. Los puntos débiles de difracción demostraron además la alineación de la superestructura de borofeno con la cubierta de hBN. Para evitar la oxidación del borofeno que, de otro modo, podría limitar su estabilidad tras la exposición al aire, Cuxart et al. investigó el efecto de recubrimiento protector que el hBN inerte confería al borofeno. Para estudiar esto, el equipo midió los espectros de fotoelectrones de rayos X en borofeno cubierto y descubierto con hBN, después de exponer las superficies a dosis incrementales de oxígeno molecular a temperatura ambiente. En contraste con el borofeno desnudo, el borofeno cubierto con hBN permaneció completamente sin cambios, para resaltar el impacto de hBN como capa protectora contra la oxidación del borofeno.

Crecimiento del borofeno en el cobre y perspectivas generales

Para comprender los efectos de la deposición química de vapor (CVD) en diversos sustratos metálicos, Cuxart et al. también estudió el crecimiento de borofeno en cobre (Cu) (III), un soporte de interacción más débil. En este caso, dosificaron 18 l de diborano en un monocristal de cobre mantenido a 773 K. A continuación, los científicos caracterizaron el material resultante para revelar la presencia de dominios monocristalinos. De esta manera, al elegir superficies de cobre e iridio, Marc G. Cuxart y sus colegas demostraron cómo se pueden formar estructuras similares a través de diferentes enfoques. Los resultados verificaron la posibilidad de utilizar el método CVD para entregar boro, generar borofenos y heteroestructuras con hBN. El trabajo apoyó aún más la posibilidad de utilizar la ruta de deposición química de vapor para formar polimorfos de borofeno basados en diborano como fuente de boro. El equipo destacó la importancia de los precursores de alta pureza para depositar selectivamente fases individuales. El método se puede utilizar en diversos sustratos para abrir camino al crecimiento in situ de heteroestructuras basadas en materiales de baja dimensión que protegen al borofeno de la oxidación. Este enfoque puede abrir una gama de métodos para estudiar los aspectos fundamentales de los materiales 2D sintéticos para aplicaciones técnicamente relevantes. + Explora más