Naukowcy z Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory (ORNL) na University of Tennessee opracowali pionierską technologię bezszwowego łączenia dwóch różnych materiałów o grubości jednego atomu. Dwuwymiarowa, jednolita warstwa powstała ze scalenia krawędzi grafenu i sześciokątnego azotku boru, może posłużyć do budowy zaawansowanych materiałów hybrydowych stosowanych w technice oraz badaniach.
Przemyślamy sposób łączenia dwóch materiałów o jednoatomowej grubości pozwala uzyskać heterostruktury o nowych właściwościach. Grafen składa się z atomów węgla ułożonych w sześciokątne struktury, przypominające pszczeli plaster. O otrzymywaniu, budowie, bardzo dobrych właściwościach przewodzących oraz kwantowych własnościach grafenu informowaliśmy już wcześniej. Na naszych łamach można było przeczytać również o powłokach antykorozyjnych z heksagonalnego (sześciokątnego) azotku boru (z ang. hexagonal boron nitride, h-BN). Aby w pełni wykorzystać potencjał grafenu, często trzeba integrować go z innymi materiałami. Podobieństwo w ułożeniach atomów w płaskich, dwuwymiarowych strukturach grafenu i h-BN skłoniły naukowców z ORNL do złączenia obu związków. Szczegółowe wyniki badań opublikowano 3 grudnia 2013 w internetowym wydaniu czasopisma Science.
Do zespolenia obu materiałów inżynierowie wykorzystali technikę tworzenia kryształów półprzewodnikowych o nazwie heteroepitaksja. Metoda ta polega na wzroście warstwy jednego materiału na podłożu z innego materiału (podłoże i nowa warstwa różnią się składem chemicznym). W celu uzyskania takiej samej struktury krystalicznej (identycznego ułożenia atomów w komórce sieci) dwuwymiarowych materiałów, zespół badawczy z ORNL zmodyfikował kierunek procesu wzrostu, tak aby zachodził w poziomie zamiast w pionie. Miejscem połączenia i narastania sześciokątnego azotku boru stała się krawędź arkusza grafenu.
Najpierw, na podłożu z miedzi o grubości 25 mikrometrów za pomocą metody chemicznego osadzania z fazy gazowej pod ciśnieniem atmosferycznym – APCVD (z ang. atmospheric pressure chemical vapour deposition) naniesiono warstwę grafenu. Proces odbywał się w rozgrzanym do temperatury 1050°C piecu rurowym w atmosferze gazów Ar/H2. Źródłem węgla – prekursorem był rozrzedzony metan (CH4). Osadzona monowarstwa grafenu wysokiej jakości posiadała dobrze zdefiniowane zygzakowate, gładkie krawędzie. Zabezpieczenie materiału przed utlenieniem polegało na płukaniu próbki wysokiej czystości wodorem. Charakterystyczne dla sześciokąta foremnego kąty wewnętrzne komórki grafenu (każdy z nich wynosi 120°) zostały zachowane dla struktury wewnętrznej. Zewnętrzene, boczne krawędzie warstwy grafenu często nie wykazywały 120°, ponieważ były wynikiem koalescencji (zlepiania) heksagonalnych kryształów o różnych orientacjach. Następnie przeprowadzano operację osadzania azotku boru z powszechnie stosowanego prekursora o nazwie borazan (kompleksu amoniaku i borowodoru, (NH3-BH3). Powolny wzrost warstwy, niezbędny do uzyskania odpowiednich domen krystalicznych osiągnięto w temperaturze około 120°C. Typowy czas osadzania wynosił od 10 do 30 minut, po czym następowało szybkie chłodzenie. Azotek boru hodowany na zewnętrznej krawędzi grafenu przybrał jego układ krystalograficzny.
Zdjecia wykonane skaningowym mikroskopem tunelowym, STM (z ang. scanning tunneling microscope) oraz skaningowym transmisyjnym mikroskopem elektronowym – STEM (z ang. scanning transmission electron microscopy) wykazały zygzakowate spójne połączenie grafenu i h-BN. Co więcej orientacja struktury krystalicznej h-BN określana była wyłącznie przez grafen, wyłączając z udziału konfigurację preferowaną przez miedziowe podłoże. Jak sugerują naukowcy, heterozłącze w postaci jednowymiarowego interfejsu daje możliwość produkcji urządzeń półprzewodnikowych na bazie grafenu. Zespół badawczy przewiduje, że metoda łączenia może być zastosowana także w innych kombinacjach materiałów 2D, przy założeniu, że będzie można dopasować ich struktury krystaliczne.
Źródło:
[1] L. Liu, J. Park, D. A. Siegel, K. F. McCarty, K. W. Clark, W. Deng, L. Basile, J. C. Idrobo, A.-P. Li, G. Gu. Heteroepitaxial Growth of Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride Templated by Graphene Edges. Science, 2014; 343 (6167): 163 DOI: 10.1126/science.1246137
[2] http://www.sciencemag.org/content/343/6167/163.abstract [14.01.2014]
[3] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2014/01/09/343.6167.163.DC1/Lui_SM.pdf [14.01.2014]
[4] http://www.ornl.gov/ornl/news/news-releases/2014/de4132fc-4191-4eb6-8863-62ab41aae7f3 [14.01.2014]
[5] Graphen by AlexanderAlUS (Own work), CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons