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)

英文來源：美國能源部/布魯克海文國家實驗室

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、強度和重量——甚至比碳基類似物石墨烯還要大。這些獨特的電子和機械特性使硼烯成為下一代電子設(shè)備的理想材料平臺，如可穿戴設(shè)備、生物分子傳感器、光探測器和量子計算機。

現(xiàn)在，來自美國能源部布魯克海文國家實驗室和耶魯大學(xué)的物理學(xué)家們在銅基片上合成了硼烯，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。12月3日在《自然納米技術(shù)》上報告的這一進展，是使基于硼烯的實用裝置成為可能的重要一步。

對于電子應(yīng)用來說，高質(zhì)量的單晶——原子在整個晶格內(nèi)的周期性排列，沒有邊界或缺陷——必須分布在生長它們的表面材料(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100萬倍，”合著者、項目負責(zé)人伊萬·博佐維奇(Ivan Bozovic)說。他是布魯克海文實驗室凝聚態(tài)物理與材料科學(xué)系(CMPMS)的高級科學(xué)家和分子束外延小組組長，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，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。賦予石墨烯強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，硼(元素周期表上碳旁邊，少了一個電子)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。但是這個預(yù)測直到三年前才得到實驗證實，當(dāng)時科學(xué)家首次合成了硼酚。他們通過分子束外延技術(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，六邊形由六個頂點組成，”Bozovic說。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額外的硼原子。當(dāng)每五個中心位置中有四個被占據(jù)，一個是空的時候，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時生長。他們在耶魯大學(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。在生長過程中和之后，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器上時產(chǎn)生的低能電子衍射(LEED)圖樣。由于電子能量低，它們只能到達材料的前幾個原子層。反射電子之間的距離(衍射圖樣中的“斑點”)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，對于所有生長條件而言，單晶硼烯結(jié)構(gòu)域只有幾十納米大小——對于制造器件和研究基本物理特性來說太小了。他們還解決了關(guān)于硼烯結(jié)構(gòu)的爭議:這兩種結(jié)構(gòu)都存在，但它們在不同的溫度下形成。科學(xué)家們通過原子力顯微鏡(AFM)證實了他們的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繪制原子的排列。

為了促進更大晶體的形成，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)——美國能源部(DOE)科學(xué)用戶設(shè)施辦公室——使用一個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)進行了計算，以確定實驗獲得的結(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，并與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。這個迭代過程一直持續(xù)到理論和實驗一致為止。

Bozovic說:“從理論上講，我們預(yù)計銅會產(chǎn)生更大的單晶，因為它與硼烯的相互作用比銀更強?！薄般~提供了一些電子來穩(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。”這種單晶不僅更大，而且在銅上的硼烯結(jié)構(gòu)也不同于在銀上生長的任何種類。

由于表面有幾種可能的空位分布，因此會出現(xiàn)不同的硼烯晶體結(jié)構(gòu)。本研究還展示了如何通過改變底物和某些情況下的溫度或沉積速率來改變硼烯的結(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)確測量電阻率和其他對設(shè)備功能很重要的電特性。Bozovic特別興奮地想要測試硼烷是否可以被制成超導(dǎo)材料。一些理論家推測，它不尋常的電子結(jié)構(gòu)甚至可能開辟一條在室溫下無損傳輸電力的道路，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。