Znanstvene vijesti — 25.12.2019.

Ravnotežni oblik jednoslojnih otoka heksagonalnog borovog nitrida na površini iridija

Marin Petrović, znanstveni suradnik Instituta za fiziku, u suradnji s kolegama sa Sveučilišta Duisburg-Essen, došao je do novih rezultata važnih za razumijevanje sinteze jednoslojnog heksagonalnog borovog nitrida. Rezultati istraživanja tog atomski tankog, izolatorskog materijala objavljeni su u časopisu Scientific Reports, gdje je pokazano na koji način morfologija podloge koja se koristi za sintezu određuje oblik rastućih domena heksagonalnog borovog nitrida.

Equilibrium shape of single-layer hexagonal boron nitride islands on iridium

Marin Petrović, Michael Horn-von Hoegen, Frank Joachim Meyer zu Heringdorf

Scientific Reports 9, 19553 (2019).

https://doi.org/10.1038/s41598-019-56000-1

Sinteza velikih jednosloja heksagonalnog borovog nitrida (hBN-a) visoke kvalitete je nužna za napredak u znanstvenom istraživanju i tehnološkoj eksploataciji toga atomski tankog materijala. U većini slučajeva, hBN se sintetizira pomoću procesa kemijske depozicije para (chemical vapor deposition, CVD). U takvom procesu molekule prekursora se dovode u kontakt s vrućom površinom metala, pri čemu dolazi do njihovog raspadanja na fragmente i samosastavljanja u mrežu hBN-a. CVD rast se neizbježno sastoji od početne nukleacije malih otoka hBN-a, tj. domena, koje se povećavaju i naposljetku spajaju čineći potpuni jednosloj. Kvaliteta sintetiziranog hBN-a uvelike ovisi o strukturi granica domena, koje pak ovise o obliku inicijalnih otoka hBN-a.

U ovom radu, autori sintetiziraju hBN na Ir(111) površini i istražuju otoke u nastajanju pomoću nisko-energetske elektronske mikroskopije (low-energy electron microscopy, LEEM) i mikroskopije atomskih sila (atomic force microscopy, AFM). Nađene su dvije vrste oblika otoka: trokutasti i trapezoidalni. Dok se trokutasti oblik lako može razumjeti kao posljedica energetske preferencije rubova hBN-a koji završavaju atomima bora, podrijetlo trapezoidalnih otoka do sad nije bilo razjašnjeno. Podaci prezentirani u članku jasno pokazuju da rubovi hBN-a tokom sinteze snažno međudjeluju s mono-atomskim stepenicama površine iridija, što dovodi do repozicioniranja tih istih stepenica (vidi Sliku 1).

AFM image (first derivative of topography in x) of hBN islands (red) on Ir(111) (yellow). Thin diagonal lines are Ir step edges. The inset shows line profile between points A and B prior to AFM image differentiation, vertical dashed lines mark positions of Ir step edges.

Slika 1. AFM slika otoka hBN-a (crveno) sintetiziranih na Ir(111) površini (žuto) koja sadrži mono-atomske stepenice (tanke dijagonalne linije).

Nadalje, prikupljanje podataka u realnom vremenu tokom sinteze pomoću LEEM-a je otkrilo da rubovi hBN otoka koji su paralelni s Ir stepenicama napreduju relativno sporo [vidi Sliku 2(a)]. To znači da rubovi hBN-a koji su paralelni sa stepenicama iridija imaju jače vezanje za podlogu, tj. oni imaju nižu energiju u usporedbi s ostalim rubovima hBN-a. Ovisno o lokalnoj orijentaciji stepenica iridija, takvo snižavanje energije može dovesti do toga da inicijalno nepovoljni rubovi hBN-a koji završavaju atomima dušika mogu postati energetski preferirani, kao što je pokazano s odgovarajućom Wulff-ovom konstrukcijom sistema [vidi Sliku 2(b)]. Ovim je objašnjena pojava trapezoidalnih otoka koji, zbog simetrije hBN-a, moraju imati rubove koji završavaju atomima bora ali također i rubove koji završavaju atomima dušika.

Figure 2. (a) Stacked contours of growing hBN islands extracted from LEEM data. (b) Wulff construction of an hBN island on the Ir surface for different orientations of monoatomic steps.

Slika 2. (a) Konture rastućih otoka hBN-a dobivene iz niza LEEM slika. (b) Wulff-ova konstrukcija otoka hBN-a na površini iridija za različite orijentacije mono-atomskih stepenica.

IF Ⓒ 2017