Nanomesh
Nanomesh är ett oorganiskt nanostrukturerat tvådimensionellt material, liknande grafen . Den upptäcktes 2003 vid universitetet i Zürich, Schweiz.
Den består av ett enda lager av bor (B) och kväve (N) atomer, som bildas genom självmontering till ett mycket regelbundet nät efter högtemperaturexponering av en ren rodium- eller ruteniumyta för borazin under ultrahögt vakuum .
Nanomesh ser ut som en sammansättning av hexagonala porer (se höger bild) på nanometerskalan (nm). Avståndet mellan två porcentra är endast 3,2 nm, medan varje por har en diameter på cirka 2 nm och är 0,05 nm djup. De lägsta regionerna binder starkt till den underliggande metallen, medan trådarna (högsta regionerna) endast är bundna till ytan genom starka kohesiva krafter inom själva lagret.
Bornitrid nanomesh är inte bara stabil under vakuum, luft och vissa vätskor, utan även upp till temperaturer på 796 °C (1070 K) . Dessutom visar den den extraordinära förmågan att fånga molekyler och metallkluster , som har liknande storlekar som nanomesh-porerna, vilket bildar en välordnad array. Dessa egenskaper kan tillhandahålla tillämpningar av materialet inom områden som ytfunktionalisering , spintronik , kvantberäkningar och datalagringsmedia som hårddiskar .
Strukturera
h-BN nanomesh är ett enda ark av hexagonal bornitrid , som bildas på substrat som rodium Rh (111) eller rutenium Ru (0001) kristaller genom en självmonteringsprocess .
Enhetscellen för h-BN nanomesh består av 13x13 BN eller 12x12 Rh-atomer med en gitterkonstant på 3,2 nm. I ett tvärsnitt betyder det att 13 bor- eller kväveatomer sitter på 12 rodiumatomer. Detta innebär en modifiering av de relativa positionerna för varje BN mot substratatomerna i en enhetscell, där vissa bindningar är mer attraktiva eller frånstötande än andra (platsselektiv bindning), vad som inducerar korrugeringen av nanomesh (se höger bild med porer och ledningar).
Nanomesh-korrugeringsamplituden på 0,05 nm orsakar en stark effekt på den elektroniska strukturen , där två distinkta BN-regioner observeras. De är lätta att känna igen i den nedre högra bilden, som är en scanning tunneling microscopy (STM) mätning, såväl som i den nedre vänstra bilden som representerar en teoretisk beräkning av samma area. En starkt avgränsad region som tilldelas porerna är synlig i blått i den vänstra bilden nedan (mitten av ljusa ringar i den högra bilden) och en svagt bunden region som tilldelats ledningarna visas gulrött i den vänstra bilden nedan (området mittemellan ringar i den högra bilden).
|
|
|
|
Den högra bilden visar bornitrid nanomesh mätt med STM vid 77K, där varje "kula" representerar en N-atom. Centrum av varje ring motsvarar mitten av porerna. Den vänstra bilden är den teoretiska beräkningen av samma yta, där N-höjden i förhållande till det underliggande substratet anges. Det exakta arrangemanget av Rh-, N- och B-atomer anges för tre olika områden (blått: porer, gul-rött: trådar). |
Se för mer information.
Egenskaper
Nanomesh är stabil under ett brett spektrum av miljöer som luft, vatten och elektrolyter bland annat. Den är också temperaturbeständig eftersom den inte sönderdelas i temperaturer upp till 1275K under vakuum. Utöver dessa exceptionella stabiliteter visar nanomesh den extraordinära förmågan att fungera som en ställning för metalliska nanokluster och att fånga molekyler som bildar en välordnad array.
När det gäller guld (Au), leder dess avdunstning på nanomesh till bildning av väldefinierade runda Au-nanopartiklar, som är centrerade vid nanomesh-porerna.
STM - figuren till höger visar Naphthalocyanine (Nc) molekyler, som ångavsattes på nanomesh. Dessa plana molekyler har en diameter på cirka 2 nm, vars storlek är jämförbar med den hos nanomesh-porerna (se övre insättningen). Det är spektakulärt synligt hur molekylerna bildar en välordnad grupp med nanomeshens periodicitet (3,22 nm). Den nedre insättningen visar en region av detta substrat med högre upplösning, där enskilda molekyler är fångade inuti porerna. Dessutom verkar molekylerna behålla sin ursprungliga konformation , vilket betyder att deras funktionalitet behålls, vilket numera är en utmaning inom nanovetenskapen .
Sådana system med stort avstånd mellan enskilda molekyler/kluster och försumbara intermolekylära interaktioner kan vara intressanta för tillämpningar som molekylär elektronik och minneselement , inom fotokemi eller i optiska enheter.
Se för mer detaljerad information.
Förberedelse och analys
Välordnade nanomeshes odlas genom termisk nedbrytning av borazin (HBNH) 3 , ett färglöst ämne som är flytande vid rumstemperatur. Nanomesh uppstår efter att den atomiskt rena Rh (111) eller Ru (0001) ytan exponerats för borazin genom kemisk ångavsättning (CVD).
Substratet hålls vid en temperatur av 796 °C (1070 K) när borazin införs i vakuumkammaren i en dos av cirka 40 L (1 Langmuir = 10 −6 torr sek ). Ett typiskt borazinångtryck inuti ultrahögvakuumkammaren under exponeringen är 3x10−7 mbar .
Efter nedkylning till rumstemperatur observeras den vanliga nätstrukturen med hjälp av olika experimentella tekniker. Scanning tunneling microscopy (STM) ger en direkt titt på den lokala verkliga rymdstrukturen hos nanomesh, medan lågenergielektrondiffraktion (LEED) ger information om ytstrukturerna ordnade över hela provet. Ultraviolett fotoelektronspektroskopi (UPS) ger information om de elektroniska tillstånden i de yttersta atomskikten av ett prov, dvs elektronisk information om de översta substratskikten och nanomesh.
Se även
Andra former
CVD av borazin på andra substrat har hittills inte lett till bildandet av en korrugerad nanomesh. Ett platt BN-skikt observeras på nickel och palladium , medan avskalade strukturer uppträder på molybden istället.