Croissance CVD des hétérostructures borophène et borophène-hBN sur Ir(111). (A) Schéma du dosage de diborane sur la surface Ir(111) préchauffée pour obtenir du borophène. (B) Image STM d'un domaine borophène monocristallin développé par CVD sur Ir(111) (Vbias =0,1 V). (C) Structure détaillée du borophène dont la cellule unitaire est représentée en rouge (Vbias =2,0 V). (D) Schéma du dosage séquentiel de borazine et de diborane pour obtenir des hétérostructures latérales borophène-hBN. (E) Image STM haute résolution de l'hétérostructure latérale formée par le borophène et le hBN (Vbias =1,2 V). Les lignes rouges mettent en évidence l'apparence ondulée du borophène χ6, et les rhomboïdes solides et pointillés verts mettent en évidence la cellule unitaire et le motif de moiré hexagonal de hBN, respectivement. (F) Bore XPS et niveaux de noyau d'azote 1s mesurés sur le borophène. (G) Schéma de l'hétérostructure verticale, avec hBN couvrant le borophène, cultivé par dosage séquentiel. (H) Image à résolution atomique du réseau hBN couvrant le borophène dans l'hétérostructure verticale. (Vbias =0,10 V; un rendu 3D subtil a été appliqué pour une meilleure visualisation). (I) Spectres de masse des gaz diborane et borazine utilisés pour faire croître le borophène et le hBN, respectivement, mesurés à une pression partielle de 3 × 10 −7 mbar. Crédit :Progrès scientifiques , doi :10.1126/sciadv.abk1490
Les chimistes organiques synthétiques visent toujours à comprendre la synthèse évolutive de matériaux élémentaires bidimensionnels (2D) au-delà du graphène. Dans un nouveau rapport, Marc G. Cuxart et une équipe de chercheurs en physique, chimie et génie électrique et informatique en France et en Allemagne, ont présenté une méthode polyvalente de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) pour développer des borophènes et des hétérostructures de borophène via l'utilisation sélective de diborane provenant de sous-produits traçables de la borazine. L'équipe a réussi à synthétiser des polymorphes métalliques de borophène sur des substrats monocristallins d'iridium (IR) (III) et de cuivre (Cu) (III) aux côtés de nitrure de bore hexagonal isolant (hBN) pour former des interfaces latérales borophène-hBN atomiquement précises. Cette structure protégeait le borophène de l'oxydation immédiate due à la présence d'une seule couche isolante de hBN. Cette approche directe et cette capacité à synthétiser des borophènes de haute qualité avec de grands domaines monocristallins par dépôt chimique en phase vapeur peuvent ouvrir une gamme d'opportunités pour étudier leurs propriétés fondamentales. Le travail est maintenant publié dans Science Advances .
Synthèse de borophènes
La capacité de synthétiser des matériaux 2D sans analogues en couches naturels a ouvert une nouvelle voie à l'ingénierie des propriétés basée sur le choix des éléments constitutifs et la conception de structures atomiques dans le plan. Les couches élémentaires de différents matériaux synthétiques 2D sont stabilisées par de fortes liaisons covalentes. Les borophènes offrent des propriétés anisotropes, électroniques et mécaniques intéressantes pour contrôler les propriétés et les fonctionnalités émergentes. Ces résultats ont conduit des efforts expérimentaux pour synthétiser des polymorphes 2D stables de bore connus sous le nom de borophènes. En 2015, des chercheurs ont synthétisé des borophènes atomiquement minces en déposant des bores provenant de sources solides de haute pureté sur la surface d'un monocristal d'argent sous ultravide, en suivant une méthode de dépôt physique en phase vapeur. Les scientifiques ont ensuite appliqué cette procédure sur des surfaces variées, mais l'absence d'un précurseur de bore approprié pour provoquer la nucléation et la croissance 2D était un obstacle majeur à la production de borophènes atomiquement minces. Dans ce travail, Cuxart et al. donc identifié diborane (B2 H6 ) dans la borazine commerciale, sur la base d'études antérieures. En utilisant le diborane comme précurseur moléculaire de la croissance de haute qualité de couches de borophène atomiquement minces, ils ont développé une voie CVD simple et régulée pour former des hétérostructures verticales et latérales sans précédent. Les travaux ouvrent une nouvelle voie pour explorer les propriétés du borophène dans les hétérostructures et dispositifs de van der Waals.
Interface latérale Borophène-hBN sur Ir(111). (A) Image STM haute résolution de l'hétérointerface atomiquement nette formée par le borophène et le hBN (Vbias =- 0,5 V). Un rendu 3D subtil a été appliqué pour une meilleure visualisation. Le registre interfacial est mis en évidence par les lignes rouges et vertes. (B) spectres dI/dV pris sur les régions de bord et de vallée du borophène et du hBN, ainsi que (C) courbes I(V) acquises simultanément (conditions de stabilisation :Vbias =1,5 V, It =0,25 nA, tension de modulation de verrouillage V =50 mV). Les spectres de borophène représentent une moyenne sur la cellule unitaire. (D) carte d'intensité dI/dV construite à partir de la série de spectres dI/dV mesurés le long de la ligne bleue marquée sur l'image STM (Vbias =2,0 V) montrant une transition électronique nette. Spectres stabilisés à Vbias =1,5 V et It =0,4 nA, tension de modulation de verrouillage V =50 mV. Images STM mesurées à ( E ) Vbias =2, 7 et ( F ) Vbias =- 0, 8 V, montrant une inversion de contraste dépendante du biais entre le borophène et le hBN. Crédit :Progrès scientifiques , doi :10.1126/sciadv.abk1490
Au cours de l'étude, Cuxart et al. diborane dosé sur une surface préchauffée, atomiquement propre et plane après filtrage sélectif de la borazine en appliquant un cycle de congélation-décongélation au système de dosage du précurseur. Au cours de la synthèse de la borazine, l'amine borane a formé un intermédiaire majeur pour agir comme source de diborane. L'équipe a attribué la présence et la reformation continue du diborane à une décomposition continue des traces d'impuretés inhérentes ou acquises dans le précurseur de borazine commercial, largement utilisé pour la synthèse de monocouche hBN. Les scientifiques ont ensuite caractérisé le matériau résultant à l'aide de la microscopie à effet tunnel à basse température (STM) et de la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS). Les images STM ont montré un motif "ondulé" en dosant du diborane sur de l'iridium. Pour développer le borophène en utilisant cette méthode, Cuxart et al. introduit une méthode polyvalente de dépôt chimique en phase vapeur. La caractérisation XPS a indiqué le polymorphe borophène développé par dépôt chimique en phase vapeur pour confirmer la présence de bore et l'absence d'azote. L'équipe a étudié la croissance combinée du borophène et du hBN monocouche en tant que matériau 2D isolant multifonctionnel.
Examen des hétérostructures borophène-hBN
hBN sur borophène :hétérostructure verticale sur Ir(111). (A) Image STM à résolution atomique d'un domaine hBN, avec sa structure en nid d'abeille, sur χ6 borophène, montrant son aspect rayé sur Ir(111) (cellule unitaire hBN en vert, Vbias =1,0 V). Un rendu 3D subtil a été appliqué pour une meilleure visualisation. Encart :diagramme LEED acquis à 79 eV (diagramme de diffraction simulé du hBN en vert et du borophène en rouge). (B) bore et (C) azote 1s spectres XP. Les composantes ajustées des contributions spectrales du hBN et du borophène sont affichées respectivement en vert et en rouge. (D) B 1s pic mesuré à différents angles d'émission de photoélectrons θ =0°, 45°, 55°, 60°, 65° et 70° (lignes allant du bleu foncé au bleu clair). (E) Dépendance angulaire de l'intensité relative des composants du borophène B 1s et de la loi de Beer-Lambert en noir décrivant l'effet d'atténuation par la surcouche hBN. (F) La série de spectres B 1s mesurés sur le borophène recouvert de hBN après des intervalles d'exposition supplémentaires à l'O2 ne révèle aucun signe d'oxydation contrairement à un échantillon de borophène non couvert qui montre l'émergence de bore oxydé (G). Des cartes d'intensité à l'arrière-plan sont construites avec les spectres présentés. Crédit :Progrès scientifiques , doi :10.1126/sciadv.abk1490
Croissance CVD de borophène sur Cu(111). (A) Image STM d'un domaine borophène de type χ3 monocristallin (Vbias =1,3 V). L'encart en haut à droite montre une transformée de Fourier rapide de l'image. La zone de balayage est mise en surbrillance dans l'encart en bas à gauche (canal de courant tunnel, Vbias =1,3 V). (B et C) Images STM haute résolution du même domaine borophène enregistrées à Vbias =0,5 et -3,0 V, respectivement. Les vecteurs noirs indiquent la cellule unitaire. Crédit :Progrès scientifiques , doi :10.1126/sciadv.abk1490
Les scientifiques ont en outre noté la formation d'une interface 1-D droite et nette soutenue par une description à l'échelle atomique de la configuration de liaison en utilisant la théorie de la fonctionnelle de la densité. Le résultat a également été observé expérimentalement via l'image STM (microscopie à effet tunnel) à résolution atomique. L'équipe a montré comment les transitions électroniques du borophène au hBN se produisaient sans état d'interface apparent, ce que Cuxart et al. identifié à l'aide de spectres à effet tunnel (STS). Ils ont ensuite développé des méthodes supplémentaires pour produire une hétérostructure borophène-hBN en dosant 1,8 L de diborane et 4,5 L de borazine sur l'iridium. Les doses correspondaient à la croissance d'une monocouche complète de borophène et de hBN sur des surfaces d'iridium. En utilisant la microscopie à effet tunnel, ils ont obtenu une structure en nid d'abeille hBN pour ensuite indiquer les interactions faibles entre hBN et borophène. Les points de diffraction faibles ont en outre démontré l'alignement de la superstructure du borophène avec la couverture hBN. Pour éviter l'oxydation du borophène qui peut autrement limiter sa stabilité lors d'une exposition à l'air, Cuxart et al. ont étudié l'effet de coiffage protecteur que le hBN inerte conférait au borophène. Pour étudier cela, l'équipe a mesuré les spectres de photoélectrons aux rayons X sur du borophène recouvert et non recouvert de hBN, après avoir exposé les surfaces à des doses croissantes d'oxygène moléculaire à température ambiante. Contrairement au borophène nu, le borophène recouvert de hBN est resté complètement inchangé, pour mettre en évidence l'impact du hBN en tant que couche protectrice contre l'oxydation du borophène.
Croissance du borophène sur cuivre et perspectives globales
Pour comprendre les effets du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur divers substrats métalliques, Cuxart et al. ont également étudié la croissance du borophène sur le cuivre (Cu) (III), un support à interaction plus faible. Dans ce cas, ils ont dosé 18 l de diborane sur un monocristal de cuivre maintenu à 773 K. Les scientifiques ont ensuite caractérisé le matériau résultant pour révéler la présence de domaines monocristallins. De cette manière, en choisissant à la fois des surfaces en cuivre et en iridium, Marc G. Cuxart et ses collègues ont montré comment des structures similaires pouvaient être formées via différentes approches. Les résultats ont vérifié la possibilité d'utiliser la méthode CVD pour délivrer du bore, pour générer des borophènes et des hétérostructures avec hBN. Les travaux ont en outre soutenu la possibilité d'utiliser la voie de dépôt chimique en phase vapeur pour former des polymorphes de borophène à base de diborane comme source de bore. L'équipe a souligné l'importance des précurseurs de haute pureté pour déposer sélectivement des phases uniques. La méthode peut être utilisée sur divers substrats pour ouvrir une voie à la croissance in situ d'hétérostructures à base de matériaux de faible dimension qui protègent le borophène de l'oxydation. Cette approche peut ouvrir une gamme de méthodes pour étudier les aspects fondamentaux des matériaux 2D synthétiques pour des applications techniquement pertinentes.
© 2021 Réseau Science X Synthèse d'un matériau 2D de grande surface :la couche atomique repousse les marches de surface
