Znanstvene vijesti — 11.07.2023.

Ambijentalna stabilnost grafen-borofen heterostruktura

U novom radu objavljenom u časopisu Advanced Electronic Materials, naš kolega Marin Petrović je u suradnji sa znanstvenicima sa sinkrotrona Elettra, Sveučilišta u Trstu i Sveučilišta u Veneciji demonstrirao novi način sinteze slojevitih grafen-borofen heterostruktura koje pokazuju iznimnu kemijsku i mehaničku stabilnost u ambijentalnim uvjetima.

Coupling Borophene to Graphene in Air-Stable Heterostructures

Matteo Jugovac, Iulia Cojocariu, Carlo Alberto Brondin, Alessandro Crotti, Marin Petrović, Stefano Bonetti, Andrea Locatelli, Tevfik Onur Mentes,

Advanced Electronic Materials, 2300136 (2023).

DOI: 10.1002/aelm.202300136

Relativno novi član obitelji dvodimenzionalnih materijala i bliski rođak grafena – borofen – je zanimljiv materijal koji se sastoji samo od atoma bora i ne postoji u prirodi, međutim može se sintetizirati u laboratoriju. Karakteriziraju ga debljina od samo jednog atoma te dobra mehanička, termalna i elektronska svojstva, što ga čini zanimljivim za različite nanotehnološke primjene. Međutim, jedan od glavnih nedostataka borofena je izražena kemijska reaktivnost koja ograničava njegovu stabilnost izvan laboratorijskih uvjeta a samim time i integraciju u kompleksnije sisteme i uređaje.

U ovoj najnovijoj studiji, kolega Petrović u suradnji s znanstvenicima sa sinkrotrona Elettra i sa sveučilišta u Trstu i Veneciji predstavlja novu metodu sinteze heterostruktura u kojima je borofen dobiven na metalnoj podlozi (na monkristalu iridija) pri čemu je također prekriven jednim slojem grafena. Cijeli postupak sinteze se odvio in situ u uvjetima ultra-visokog vakuuma, gdje se pratio pomoću nisko-energetskog elektronskog mikroskopa (low-energy electron microscope, LEEM) (vidi Sliku 1). Osnovni princip sinteze je visoko-temperaturni rast grafena na iridiju koji u sebi već sadrži značajnu količinu otopljenog bora. Prilikom hlađenja uzorka, otopljeni bor segregira na površinu iridija gdje se samosastavlja u borofen, odnosno dolazi do stvaranja borofena između grafena i Ir substrata. Efektivno, nastaje vertikalna heterostruktura grafen-borofen.

Figure 1. A sequence of LEEM images depicting formation of graphene-borophene heterostructure. Different regions on the sample surface are noted: Ir – bare iridium surface, Gr – graphene on iridium, B – borophene on iridium, Gr/B – graphene-borophene heterostructure on iridium. Top row schematically shows sample profiles along dashed lines in panels (a)-(d).
Slika 1. Niz LEEM slika koje prikazuju nastajanje grafen-borofen heterostruktura. Naznačena su različita područja na površini uzorka: Ir – gola iridijeva površina, Gr – grafen na iridiju, B – borofen na iridiju, Gr/B – heterostruktura grafen-borofen na iridiju. Gornji red shematski prikazuje presjek uzorka duž crtkanih linija u panelima (a)-(d).

Područja uzorka na kojima borofen nije prekriven grafenom pokazuju značajnu kemijsku reaktivnost čak i u ultra-visokom vakuumu (~10E-10 mbar), kao što se može iščitati iz promjena u B 1s i O 2s signalima dobivenim iz fotoemisijske spektroskopije (x-ray photoemission spectroscopy, XPS) (vidi Sliku 2a, plave krivulje). Drugim riječima, borofen biva onečišćen adsoprcijom različitih rezidualnih molekula iz vakuuma čime se značajno mijenjaju njegova dobra intrinzična svojstva. Međutim, na područjima uzorka na kojima postoji grafen-borofen heterostruktura, odnosono na kojima je borofen zaštićen slojem grafena, pronađen je čisti borofen s očuvanim intrinzičnim svojstvima (vidi Sliku 2, zelene krivulje). Štoviše, ta su svojstva očuvana i nakon izlaganja heterostrukture zraku, čime je potvrđeda iznimna stabilnost i robustnost grafen-borofen heterostruktura. Ovakva ambijentalna stabilnost borofena otvara nova vrata u znanstvenim istaživanjima borofena kao i u njegovim tehnološkim primjenama.

Figure 2. XPS spectra (B 1s and O 2s) of different regions of the sample after seven days of “ageing” in ultra-high vacuum [panels (a) and (b)] and after exposure to air [panels (c) and (d)]. Chemical stability of graphene-borophene heterostructure (green curves) is evident from the absence of new peaks in B 1s spectra and absence of any O 2s peaks.
Slika 2. XPS spektri (B 1s i O 2s) različitih područja uzorka nakon sedam dana stajanja u ultra-visokom vakuumu [paneli (a) i (b)] te nakon izlaganja zraku [paneli (c) i (d)]. Kemijska stabilnost grafen-borofen heterostrukture (zelene krivulje) se iščitava iz izostanaka novih vrhova u B 1s spektrima kao i u nedostatku O 2s vrhova.