ナノメッシュ

ナノメッシュはグラフェンに似た無機ナノ構造の2次元材料である。2003年にスイスのチューリッヒ大学で発見された。^[1]

これはホウ素（B）と窒素（N）原子の単層で構成されており、超高真空下で清浄なロジウム^[1]またはルテニウム^[2]表面をボラジンに高温でさらすと、自己組織化によって非常に規則的なメッシュに形成されます。

ナノメッシュは、ナノメートル（nm）スケールで六角形の細孔^[3]（右図参照）の集合体のように見えます。2つの細孔の中心間の距離はわずか3.2 nmですが、各細孔の直径は約2 nm、深さは0.05 nmです。最も低い領域は下にある金属に強く結合しますが、ワイヤ^[3]（最も高い領域）は、層自体の強い凝集力によってのみ表面に結合しています。

窒化ホウ素ナノメッシュは真空中^[1] 、空気中^[4] 、一部の液体中^[5]^[6]だけでなく、796℃（1070 K）の温度でも安定しています。^{[1]さらに、ナノメッシュの}細孔とほぼ同じ大きさの分子^[5]や金属クラスター^[2]を捕捉し、整然とした配列を形成する並外れた能力を示します。これらの特性により、表面機能化、スピントロニクス、量子コンピューティング、ハードドライブなどのデータ記憶媒体などの分野での材料の応用が期待されます。

構造

ロジウム上のナノメッシュの断面。細孔とワイヤー領域が見える。

h-BNナノメッシュは六方晶窒化ホウ素の単一シートであり、ロジウムRh （111）またはルテニウムRu （0001）結晶などの基板上に自己組織化プロセスによって形成されます。

h-BN ナノメッシュの単位格子は、格子定数 3.2 nm の 13x13 BN または 12x12 Rh 原子で構成されています。断面では、13 個のホウ素または窒素原子が 12 個のロジウム原子の上にあります。これは、単位格子内の基質原子に対する各 BN の相対位置が変更されていることを意味し、一部の結合が他の結合よりも引き付けまたは反発する (サイト選択結合) ため、ナノメッシュの波形が発生します (細孔とワイヤがある右の画像を参照)。

0.05 nm のナノメッシュ波形振幅は電子構造に強い影響を及ぼし、2 つの異なる BN 領域が観察されます。これらは、走査トンネル顕微鏡(STM) 測定である右下の画像と、同じ領域の理論計算を示す左下の画像で簡単に認識できます。細孔に割り当てられた強く結合した領域は、下の左の画像 (右の画像の明るいリングの中心) で青で表示され、ワイヤに割り当てられた弱く結合した領域は、下の左の画像 (右の画像のリング間の領域) で黄赤色で表示されます。

詳細については ^[1]^[2]^[4]^[5]^[7]を参照してください。

プロパティ

ナフタロシアニン分子がナノメッシュ上に蒸着され、細孔内にのみ吸着し、明確なパターンを形成します。

ナノメッシュは、空気、水、電解質など、さまざまな環境下で安定しています。また、真空下で 1275K までの温度でも分解しないため、耐熱性もあります。これらの優れた安定性に加えて、ナノメッシュは金属ナノクラスターの足場として機能し、分子を捕捉して整然とした配列を形成するという並外れた能力を発揮します。

金(Au)の場合、ナノメッシュ上での金の蒸発により、ナノメッシュの細孔を中心とする明確な円形の Au ナノ粒子が形成されます。

右の STM 図は、ナノメッシュ上に蒸着されたナフタロシアニン (Nc) 分子を示しています。これらの平面分子の直径は約 2 nm で、ナノメッシュの細孔のサイズに匹敵します (上の挿入図を参照)。分子がナノメッシュの周期 (3.22 nm) に合わせて整然と配列している様子が見事に映し出されています。下の挿入図は、この基板の領域を高解像度で示したもので、個々の分子が細孔内に閉じ込められています。さらに、分子は本来の立体構造を維持しているように見えます。つまり、機能性が維持されているということです。これは、今日のナノサイエンスの課題です。

個々の分子/クラスター間の間隔が広く、分子間相互作用が無視できるようなシステムは、分子エレクトロニクスやメモリ素子、光化学、光学デバイスなどの用途にとって興味深いものとなる可能性があります。

詳しい情報については ^[2]^[5]^[6]を参照してください。

準備と分析

整然としたナノメッシュは、室温で液体である無色の物質であるボラジン(HBNH) ₃の熱分解によって成長します。ナノメッシュは、原子レベルで清浄なRh (111)またはRu (0001)表面を化学蒸着(CVD)によってボラジンにさらすことで生成されます。

^{ボラジンが約 40 L (1 Langmuir = 10 −6} torr sec)の量で真空チャンバー内に導入されると、基板の温度は 796 °C (1070 K) に保たれます。曝露中の超高真空チャンバー内の典型的なボラジン蒸気圧は 3x10 ⁻⁷ mbarです。

室温まで冷却した後、さまざまな実験技術を使用して規則的なメッシュ構造を観察します。走査トンネル顕微鏡(STM) では、ナノメッシュの局所的な実空間構造を直接観察できます。一方、低エネルギー電子回折(LEED) では、サンプル全体に整列した表面構造に関する情報が得られます。紫外線光電子分光法(UPS) では、サンプルの最外層の原子層の電子状態に関する情報、つまり最上層の基板層とナノメッシュの電子情報が得られます。

参照

その他の形式

他の基板上でのボラジンのCVDでは、今のところ波型ナノメッシュの形成には至っていない。ニッケル^[8]とパラジウム^[9]^[10]では平坦なBN層が観察されるが、モリブデン^[11]では代わりに縞模様の構造が現れる。

参考文献と注記

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文献には、類似の概念を指すさまざまな単語が見つかります。以下にその要約を示します。
- 細孔、開口部、穴:強い引力により、下にある基板に最も近い位置にあるナノメッシュの領域。これらは、深さ 0.05 nm の六角形のくぼみを形成します。
- ワイヤ:ナノメッシュの領域で、細孔の境界を指します。細孔は下にある基板から遠く離れているため、ナノメッシュの上部を表します。
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その他のリンク

http://www.nanomesh.ch

http://www.nanomesh.org

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[nomenc-3] 文献には、類似の概念を指すさまざまな単語が見つかります。以下にその要約を示します。
細孔、開口部、穴:強い引力により、下にある基板に最も近い位置にあるナノメッシュの領域。これらは、深さ 0.05 nm の六角形のくぼみを形成します。

ワイヤ:ナノメッシュの領域で、細孔の境界を指します。細孔は下にある基板から遠く離れているため、ナノメッシュの上部を表します。

[4] 細孔、開口部、穴:強い引力により、下にある基板に最も近い位置にあるナノメッシュの領域。これらは、深さ 0.05 nm の六角形のくぼみを形成します。

[5] ワイヤ:ナノメッシュの領域で、細孔の境界を指します。細孔は下にある基板から遠く離れているため、ナノメッシュの上部を表します。

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