Химики научились встраивать в графеновые ленты атомы азота и бора одновременно

S. Kawai et al./ Science Advances, 2018 S. Kawai et al./ Science Advances, 2018

Химики предложили способ синтеза графеновых нанолент шириной в три гексагональные ячейки, в которых в четко определенных позициях атомы углерода заменены на азот и бор. Детально исследовать химическую и электронную структуру полученного соединения удалось с помощью сверхточного атомно-силового микроскопа, к кончику сканирующей иголки которого была присоединена молекула угарного газа, пишут ученые в Science Advances.

Один из наиболее эффективных способов управления электронными и оптическими свойствами двумерных кристаллов — частичное изменение их химического состава. Часто ученые предлагают не просто менять состав уже полученного материала, а соединять между собой несколько участков разного химического состава между собой. Например, из двумерных полупроводников на основе дихалькогенидов переходных металлов нескольких составов для управления оптическими свойствами ученые предлагают составлять треугольные сверхрешетки или встраивать тонкие полоски шириной всего в несколько атомов из одного материала в структуру другого. Другой способ использовать изменение химического состава для управления физическими свойствами двумерного материала — не соединение элементов разного химического состава между собой, а встраивание в структуру отдельных атомов других элементов.

S. Kawai et al./ Science Advances, 2018

Именно такой подход использовали химики из Японии, Швейцарии, Финляндии и Германии под руководством Адама Фостера (Adam S. Foster) из Университета Аалто, разработав способ встраивания в графеновые наноленты отдельных атомов бора и азота и предложив методику для последующего анализа химического состава полученного материала. Графеновую ленту шириной в три гексагональные ячейки, в которой в каждых 15 ячейках вместо одной из пар атомов углерода была пара атомов азот-бор, получали с помощью полимеризации ароматического галогензамещенного соединения, в котором содержалось два антраценовых элемента (ароматическая структура из трех «склеенных» бензольных колец) и одного дигидродибензоазоборинина (тоже состоящего из трех кольцевых структур, но включающих в свою структуру атомы бора и азота).

Схема синтеза графеновых лент с встроенными в нее атомами бора и азота. S. Kawai et al./ Science Advances, 2018

Ученые отмечают, что полученное соединение — первая графеновая нанолента, в которой одновременно содержатся атомы бора и азота, в предыдущих работах в структуру графена подобным образом удавалось встраивать лишь неуглеродные атомы одного типа. Для анализа структуры и электронных свойств полученных на золотой подложке графеновых лент ученые использовали атомно-силовую и сканирующую туннельную микроскопию, и все экспериментальные данные дополнительно подтверждали с помощью компьютерного моделирования методом теории функционала плотности.

Изображение графеновой ленты, полученное с помощью компьютерного моделирования. S. Kawai et al./ Science Advances, 2018

Изображения графеновой ленты, полученные с помощью атомно-силовое микроскопии при разном удалении сканирующей иголки от поверхности. S. Kawai et al./ Science Advances, 2018

Особо в своей работе химики отмечают результаты, которые им удалось получить с помощью атомно-силового микроскопа. Для проведения необходимого анализа исследователи использовали специальную сканирующую иголку, к кончику которой присоединялась молекула угарного газа. Это позволило получить информацию о химической структуре графена — и длине связей внутри него, и элементном составе (который можно связать с контрастом полученных изображений). В частности, благодаря использованной технике ученые смогли получить данные об искажении структуры графена, вандерваальсовых радиусах различных атомов и изменении локальной электронной плотности в результате замены углерода на азот и бор.

По словам ученых, полученные ими результаты крайне важны сразу с двух точек зрения. Во-первых, разработанная ими методика синтеза отрывает возможности для получения двумерных углеродных соединений с четко определенными. Во-вторых, они показали, что атомно-силовая микроскопия предложенной конфигурации может быть подходящим инструментом для исследования электронных и структурных свойств подобных материалов и использоваться для подобного анализа и в дальнейшем.

Известно, что присоединение к иголке атомно-силового микроскопа отдельных молекул позволяет получать изображения с атомным разрешением, однако при количественном анализе этот подход может приводить к небольшим систематическим ошибкам, из-за того, что связь между молекулой CO и атомами металла. Чтобы решить эту проблему, ученые предложили к кончику иголки присоединять не молекулу, а атом кислорода, который связан с атомами меди ковалентными связями.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

nplus1.ru