含大單晶的硼原子薄片可為下一代電子器件的制備提供基礎(chǔ)

英文來(lái)源：美國(guó)能源部/布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

紐約州厄普頓——硼烯--二維（2-D）原子薄片硼，一種傳統(tǒng)的玻璃纖維絕緣中發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素---一點(diǎn)也不乏味。雖然硼是一種塊狀（3-D）的非金屬半導(dǎo)體，但它在2-D中變成了金屬導(dǎo)體。硼烯具有極高的靈活性、強(qiáng)度和重量——甚至比碳基類似物石墨烯還要大。這些獨(dú)特的電子和機(jī)械特性使硼烯成為下一代電子設(shè)備的理想材料平臺(tái)，如可穿戴設(shè)備、生物分子傳感器、光探測(cè)器和量子計(jì)算機(jī)。

現(xiàn)在，來(lái)自美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和耶魯大學(xué)的物理學(xué)家們?cè)阢~基片上合成了硼烯，其面積大（從10微米到100微米）單晶域（參考，一根頭發(fā)的寬度約為100微米）。以前，只有納米尺寸的硼烯單晶片被生產(chǎn)出來(lái)。12月3日在《自然納米技術(shù)》上報(bào)告的這一進(jìn)展，是使基于硼烯的實(shí)用裝置成為可能的重要一步。

對(duì)于電子應(yīng)用來(lái)說(shuō)，高質(zhì)量的單晶——原子在整個(gè)晶格內(nèi)的周期性排列，沒(méi)有邊界或缺陷——必須分布在生長(zhǎng)它們的表面材料(基體)的大片區(qū)域。例如，今天的微芯片使用單晶硅和其他半導(dǎo)體。器件制造還需要了解不同的基體和生長(zhǎng)條件如何影響決定材料性能的晶體結(jié)構(gòu)。

“我們將單晶區(qū)域的大小增加了100萬(wàn)倍，”合著者、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人伊萬(wàn)·博佐維奇(Ivan Bozovic)說(shuō)。他是布魯克海文實(shí)驗(yàn)室凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)系(CMPMS)的高級(jí)科學(xué)家和分子束外延小組組長(zhǎng)，也是耶魯大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)的兼職教授?！爸圃炀哂懈唠娮舆w移率的下一代電子設(shè)備需要大的領(lǐng)域。能在晶體結(jié)構(gòu)中快速移動(dòng)的電子是提高器件性能的關(guān)鍵。

一種新的二維材料

自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，科學(xué)家們一直在尋找其他具有顯著性能的2d材料。石墨烯是一種單片碳原子，可以用透明膠帶從鉛筆的核心部件石墨中剝離出來(lái)。賦予石墨烯強(qiáng)度的碳原子之間的化學(xué)鍵使得操縱其結(jié)構(gòu)變得困難。

理論學(xué)家預(yù)測(cè)，硼(元素周期表上碳旁邊，少了一個(gè)電子)沉積在適當(dāng)選擇的基底上，可以形成類似石墨烯的二維材料。但是這個(gè)預(yù)測(cè)直到三年前才得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，當(dāng)時(shí)科學(xué)家首次合成了硼酚。他們通過(guò)分子束外延技術(shù)(MBE)在超高真空條件下將硼沉積在銀基體上，MBE是一種精確控制原子逐層晶體生長(zhǎng)的技術(shù)。此后不久，另一組科學(xué)家在銀上培育了硼烯，但他們提出了一種完全不同的晶體結(jié)構(gòu)。

“硼烯在結(jié)構(gòu)上與石墨烯相似，六邊形網(wǎng)絡(luò)由硼原子(而不是碳原子)構(gòu)成，六邊形由六個(gè)頂點(diǎn)組成，”Bozovic說(shuō)。然而，硼烯的不同之處在于，它在六邊形的中心周期性地有一個(gè)額外的硼原子。當(dāng)每五個(gè)中心位置中有四個(gè)被占據(jù)，一個(gè)是空的時(shí)候，晶體結(jié)構(gòu)在理論上趨于穩(wěn)定。

根據(jù)理論，雖然空缺的數(shù)量是固定的，但空缺的安排卻不是固定的。只要空缺以保持最穩(wěn)定(最低能量)結(jié)構(gòu)的方式分布，它們就可以重新排列。由于這種靈活性，硼烯可以有多種構(gòu)型。

邁向設(shè)備制造的一小步

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家們首先研究了不同溫度下硼烯在銀表面的實(shí)時(shí)生長(zhǎng)。他們?cè)谝敶髮W(xué)用配備了MBE系統(tǒng)的超高真空低能電子顯微鏡(LEEM)培養(yǎng)了這些樣品。在生長(zhǎng)過(guò)程中和之后，他們用一束低能電子轟擊樣品，并分析了電子從晶體表面反射并投射到探測(cè)器上時(shí)產(chǎn)生的低能電子衍射(LEED)圖樣。由于電子能量低，它們只能到達(dá)材料的前幾個(gè)原子層。反射電子之間的距離(衍射圖樣中的“斑點(diǎn)”)與表面原子之間的距離有關(guān)，科學(xué)家可以根據(jù)這些信息重建晶體結(jié)構(gòu)。

在這種情況下，這些圖案顯示，對(duì)于所有生長(zhǎng)條件而言，單晶硼烯結(jié)構(gòu)域只有幾十納米大小——對(duì)于制造器件和研究基本物理特性來(lái)說(shuō)太小了。他們還解決了關(guān)于硼烯結(jié)構(gòu)的爭(zhēng)議:這兩種結(jié)構(gòu)都存在，但它們?cè)诓煌臏囟认滦纬?。科學(xué)家們通過(guò)原子力顯微鏡(AFM)證實(shí)了他們的LEEM和LEED結(jié)果。在原子力顯微鏡中，銳利的尖端被掃描到表面上，尖端與表面原子之間的力被用來(lái)繪制原子的排列。

為了促進(jìn)更大晶體的形成，科學(xué)家們使用相同的LEEM、LEED和AFM技術(shù)，將基底從銀轉(zhuǎn)變?yōu)殂~。布魯克海文的科學(xué)家Percy Zahl和Ilya Drozdov也在布魯克海文的功能性納米材料中心(CFN)——美國(guó)能源部(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施辦公室——使用一個(gè)定制的帶有一氧化碳探針的掃描隧道顯微鏡(STM)，以高分辨率成像了表面結(jié)構(gòu)。耶魯大學(xué)的理論家斯蒂芬·埃爾丁奇(Stephen Eltinge)和索拉博·伊斯梅爾-貝吉(Sohrab Ismail-Beigi)進(jìn)行了計(jì)算，以確定實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在確定了最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)之后，他們模擬了電子衍射光譜和STM圖像，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。這個(gè)迭代過(guò)程一直持續(xù)到理論和實(shí)驗(yàn)一致為止。

Bozovic說(shuō):“從理論上講，我們預(yù)計(jì)銅會(huì)產(chǎn)生更大的單晶，因?yàn)樗c硼烯的相互作用比銀更強(qiáng)?！薄般~提供了一些電子來(lái)穩(wěn)定硼烯，但這些材料之間的相互作用不太大，不足以形成化合物?！边@種單晶不僅更大，而且在銅上的硼烯結(jié)構(gòu)也不同于在銀上生長(zhǎng)的任何種類。

由于表面有幾種可能的空位分布，因此會(huì)出現(xiàn)不同的硼烯晶體結(jié)構(gòu)。本研究還展示了如何通過(guò)改變底物和某些情況下的溫度或沉積速率來(lái)改變硼烯的結(jié)構(gòu)。

下一步是將硼烯片從金屬銅表面轉(zhuǎn)移到與設(shè)備兼容的絕緣基板上。然后，科學(xué)家將能夠準(zhǔn)確測(cè)量電阻率和其他對(duì)設(shè)備功能很重要的電特性。Bozovic特別興奮地想要測(cè)試硼烷是否可以被制成超導(dǎo)材料。一些理論家推測(cè)，它不尋常的電子結(jié)構(gòu)甚至可能開辟一條在室溫下無(wú)損傳輸電力的道路，而不是超導(dǎo)通常需要的超低溫。最終，二維材料研究的目標(biāo)是能夠微調(diào)這些材料的性能，以適應(yīng)特定的應(yīng)用。