Borofenos facilitados

Crescimento CVD de heteroestruturas de borofeno e borofeno-hBN em Ir(111). (A) Esquema de dosagem de diborano na superfície de Ir(111) pré-aquecida para obtenção de borofeno. (B) imagem STM de um domínio de borofeno monocristalino crescido por CVD em Ir(111) (Vbias =0,1 V). (C) Estrutura detalhada do borofeno cuja célula unitária está representada em vermelho (Vbias =2,0 V). (D) Esquema de dosagem sequencial de borazina e diborano para obter heteroestruturas laterais borofeno-hBN. (E) Imagem STM de alta resolução da heteroestrutura lateral formada por borofeno e hBN (Vbias =1,2 V). As linhas vermelhas destacam a aparência ondulada do borofeno χ6, e os rombóides sólidos e tracejados verdes destacam a célula unitária e o padrão moiré hexagonal do hBN, respectivamente. (F) Níveis de núcleo XPS de boro e nitrogênio 1s medidos em borofeno. (G) Esquema da heteroestrutura vertical, com hBN cobrindo borofeno, cultivado por dosagem sequencial. (H) Imagem atomicamente resolvida da rede hBN cobrindo o borofeno na heteroestrutura vertical. (Vbias =0,10 V; renderização 3D sutil foi aplicada para melhor visualização). (I) Espectros de massa de gás diborano e borazina usados para crescer borofeno e hBN, respectivamente, medidos a pressão parcial de 3 × 10⁻⁷ mbar. Crédito:Avanços Científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Os químicos orgânicos sintéticos ainda buscam entender a síntese escalável de materiais elementares bidimensionais (2D) além do grafeno. Em um novo relatório, Marc G. Cuxart e uma equipe de pesquisadores em física, química e engenharia elétrica e de computação na França e na Alemanha, introduziram um método versátil de deposição de vapor químico (CVD) para cultivar borofenos e heteroestruturas de borofeno através do uso seletivo de diborano originário de subprodutos rastreáveis da borazina. A equipe sintetizou com sucesso polimorfos de borofeno metálico em substratos de cristal único de irídio (IR) (III) e cobre (Cu) (III) juntamente com nitreto de boro hexagonal isolante (hBN) para formar interfaces laterais de borofeno-hBN atomicamente precisas. Esta estrutura protegeu o borofeno da oxidação imediata devido à presença de uma única camada isolante de hBN. Essa abordagem direta e a capacidade de sintetizar borofenos de alta qualidade com grandes domínios monocristalinos por meio de deposição química de vapor pode abrir uma série de oportunidades para estudar suas propriedades fundamentais. O trabalho agora está publicado em Science Advances .
Síntese de borofenos

A capacidade de sintetizar materiais 2D sem análogos em camadas de ocorrência natural abriu um novo caminho para a engenharia de propriedades com base na escolha de elementos constituintes e no projeto de estruturas atômicas no plano. As camadas elementares de diferentes materiais sintéticos 2D são estabilizadas por fortes ligações covalentes. Os borofenos oferecem propriedades anisotrópicas, eletrônicas e mecânicas interessantes para controlar as propriedades e funcionalidades emergentes. Esses resultados impulsionaram os esforços experimentais para sintetizar polimorfos 2D estáveis de boro conhecidos como borofenos. Em 2015, pesquisadores sintetizaram borofenos atomicamente finos depositando boros de fontes sólidas de alta pureza na superfície de um cristal único de prata em vácuo ultra-alto, seguindo um método de deposição física de vapor. Os cientistas então aplicaram esse procedimento em superfícies variadas, mas a falta de um precursor de boro adequado para estimular a nucleação e o crescimento 2D foi um grande impedimento para produzir borofenos atomicamente finos. Neste trabalho, Cuxart et al. portanto, identificou o diborano (B₂ H₆ ) em borazina comercial, com base em estudos anteriores. Usando o diborano como precursor molecular do crescimento de alta qualidade de camadas de borofeno atomicamente finas, eles desenvolveram uma rota CVD fácil e regulada para formar heteroestruturas verticais e laterais sem precedentes. O trabalho abre um novo caminho para explorar as propriedades do borofeno em heteroestruturas e dispositivos de van der Waals.

Interface lateral borofeno-hBN em Ir(111). (A) Imagem STM de alta resolução da heterointerface atomicamente nítida formada por borofeno e hBN (Vbias =− 0,5 V). A renderização 3D sutil foi aplicada para melhor visualização. O registro interfacial é destacado pelas linhas vermelhas e verdes. (B) espectros dI/dV obtidos em regiões de borda e vale de borofeno e hBN, juntamente com (C) curvas I(V) adquiridas simultaneamente (condições de estabilização:Vbias =1,5 V, It =0,25 nA, tensão de modulação lock-in V =50mV). Os espectros de borofeno representam uma média sobre a célula unitária. (D) mapa de intensidade dI/dV construído a partir da série de espectros dI/dV medidos ao longo da linha azul marcada na imagem STM (Vbias =2,0 V) mostrando uma transição eletrônica nítida. Espectro estabilizado em Vbias =1,5 V e It =0,4 nA, tensão de modulação lock-in V =50 mV. Imagens STM medidas em (E) Vbias =2,7 e (F) Vbias =− 0,8 V, mostrando uma inversão de contraste dependente de viés entre borofeno e hBN. Crédito:Avanços Científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Experiências e caracterização.

Durante o estudo, Cuxart et al. dosado diborano em uma superfície pré-aquecida, atomicamente limpa e plana após a filtragem seletiva da borazina pela aplicação de um ciclo de congelamento-descongelamento ao sistema de dosagem do precursor. Durante a síntese de borazina, a amina borano formou um intermediário importante para atuar como fonte de diborano. A equipe creditou a presença e a reformação contínua do diborano a um decaimento contínuo de impurezas traço inerentes ou adquiridas no precursor comercial de borazina, amplamente utilizado para a síntese de monocamada de hBN. Os cientistas então caracterizaram o material resultante usando microscopia de tunelamento de varredura de baixa temperatura (STM) e espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS). As imagens STM mostraram um padrão "ondulado" pela dosagem de diborano em irídio. Para desenvolver borofeno usando este método, Cuxart et al. introduziu um método versátil de deposição de vapor químico. A caracterização XPS indicou o polimorfo borofeno cultivado por deposição química de vapor para confirmar a presença de boro e a ausência de nitrogênio. A equipe estudou o crescimento combinado de borofeno e hBN de camada única como um material 2D multifuncional e isolante.

Examinando heteroestruturas de borofeno-hBN

hBN em borofeno:heteroestrutura vertical em Ir(111). (A) Imagem STM atomicamente resolvida de um domínio hBN, apresentando sua estrutura em favo de mel, em χ6 borofeno, mostrando sua aparência listrada em Ir(111) (célula unitária hBN em verde, Vbias =1,0 V). A renderização 3D sutil foi aplicada para melhor visualização. Detalhe:padrão LEED adquirido a 79 eV (padrão de difração simulado de hBN em verde e borofeno em vermelho). (B) espectros de boro e (C) nitrogênio 1s XP. Os componentes ajustados das contribuições espectrais de hBN e borofeno são exibidos em verde e vermelho, respectivamente. (D) pico B 1s medido em diferentes ângulos de emissão de fotoelétrons θ =0°, 45°, 55°, 60°, 65° e 70° (linhas de azul escuro a azul claro). (E) A dependência angular da intensidade relativa dos componentes de borofeno B 1s e a lei de Beer-Lambert se encaixam em preto descrevendo o efeito de atenuação pela camada de hBN. (F) Série de espectros B 1s medidos em borofeno coberto com hBN após intervalos incrementais de exposição ao O2 não revela nenhum sinal de oxidação em contraste com uma amostra de borofeno descoberta que mostra a emergência de boro oxidado (G). Os mapas de intensidade ao fundo são construídos com os espectros apresentados. Crédito:Avanços Científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490
Crescimento CVD de borofeno em Cu(111). (A) imagem STM de um domínio de borofeno tipo χ3 monocristalino (Vbias =1,3 V). A inserção superior direita mostra uma rápida transformação de Fourier da imagem. A área de varredura é destacada no canto inferior esquerdo (canal atual de tunelamento, Vbias =1,3 V). (B e C) Imagens STM de alta resolução do mesmo domínio de borofeno gravadas em Vbias =0,5 e -3,0 V, respectivamente. Os vetores pretos indicam a célula unitária. Crédito:Avanços Científicos , doi:10.1126/sciadv.abk1490

Os cientistas observaram ainda a formação de uma interface 1-D reta e nítida apoiada por uma descrição em escala atômica da configuração de ligação usando a teoria do funcional da densidade. O resultado também foi observado experimentalmente através da imagem STM (microscopia de tunelamento de varredura) resolvida atomicamente. A equipe mostrou como as transições eletrônicas de borofeno para hBN ocorreram sem um estado de interface aparente, que Cuxart et al. identificado usando espectros de tunelamento de varredura (STS). Eles então desenvolveram métodos adicionais para produzir uma heteroestrutura borofeno-hBN dosando 1,8 L de diborano e 4,5 L de borazina em irídio. As doses corresponderam ao crescimento de uma monocamada completa de borofeno e hBN em superfícies de irídio. Usando microscopia de tunelamento de varredura, eles obtiveram uma estrutura de favo de mel hBN para então indicar interações fracas entre hBN e borofeno. Os pontos fracos de difração demonstraram ainda o alinhamento da superestrutura de borofeno com a cobertura de hBN. Para evitar a oxidação do borofeno que pode limitar sua estabilidade após exposição ao ar, Cuxart et al. investigaram o efeito protetor que o hBN inerte conferiu ao borofeno. Para estudar isso, a equipe mediu espectros de fotoelétrons de raios-X em borofeno coberto e descoberto com hBN - depois de expor as superfícies a doses incrementais de oxigênio molecular à temperatura ambiente. Em contraste com o borofeno puro, o borofeno coberto com hBN permaneceu completamente inalterado, para destacar o impacto do hBN como uma camada protetora contra a oxidação do borofeno.

Crescimento do borofeno no cobre e as perspectivas gerais

Para entender os efeitos da deposição química de vapor (CVD) em diversos substratos metálicos, Cuxart et al. também estudaram o crescimento de borofeno em cobre (Cu) (III), um suporte de interação mais fraca. Neste caso, eles dosaram 18 l de diborano em um único cristal de cobre mantido a 773 K. Os cientistas então caracterizaram o material resultante para revelar a presença de domínios monocristalinos. Desta forma, escolhendo superfícies de cobre e irídio, Marc G. Cuxart e colegas mostraram como estruturas semelhantes podem ser formadas por meio de diferentes abordagens. Os resultados verificaram a possibilidade de utilização do método CVD para liberação de boro, geração de borofenos e heteroestruturas com hBN. O trabalho apoiou ainda a possibilidade de usar a rota de deposição química de vapor para formar polimorfos de borofeno à base de diborano como fonte de boro. A equipe enfatizou a importância de precursores de alta pureza para depositar seletivamente fases únicas. O método pode ser usado em diversos substratos para abrir um caminho para o crescimento in situ de heteroestruturas baseadas em materiais de baixa dimensão que protegem o borofeno da oxidação. Essa abordagem pode abrir uma gama de métodos para estudar os aspectos fundamentais de materiais sintéticos 2D para aplicações tecnicamente relevantes. + Explorar mais