Onderzoekers van de Rice University hebben een manier gevonden om grafeen en hexagonaal boornitride (h-BN) te naaien in een tweedimensionale quilt die nieuwe onderzoekspaden biedt voor materiaalwetenschappers.

De techniek heeft implicaties voor de toepassing van grafeenmaterialen in micro-elektronica die ruim onder de beperkingen van silicium, bepaald door de wet van Moore, schalen.

Nieuw onderzoek van het lab van Pulickel Ajayan, Rice's Benjamin M. en Mary Greenwood Anderson hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, demonstreert een manier om fijne controle te bereiken bij het maken van dergelijke hybride, 2D-structuren.

Lagen van h-BN van één atoom dik hebben dezelfde roosterstructuur als grafeen, maar elektrisch bevinden de materialen zich aan weerszijden van het spectrum:h-BN is een isolator, overwegende dat grafeen, de enkelvoudige atoomlaagvorm van koolstof, is zeer geleidend. De mogelijkheid om ze in een enkel rooster te assembleren, zou kunnen leiden tot een rijke verscheidenheid aan 2D-structuren met elektrische eigenschappen, variërend van metalen geleider tot halfgeleider tot isolator.

Omdat grafeen een geleider is en h-BN een isolator, de verhouding van de een tot de ander bepaalt hoe goed dit nieuwe materiaal elektronen geleidt. Lijie Ci en Li Song, beide postdoctorale onderzoekswetenschappers in het laboratorium van Ajayan, ontdekte dat door domeinen van h-BN en koolstof neer te zetten via chemische dampafzetting (CVD), ze waren in staat om de verhouding van materialen in de resulterende film te regelen.

Ci en Song zijn de voornaamste auteurs van een paper over het werk dat verscheen in de online editie van Natuurmaterialen deze week.

Ajayan zei dat de ontdekking opwindend is voor een materiaalwetenschapper.

"Vanuit een grafeenperspectief, het geeft ons nu de mogelijkheid om band-gap-engineering in tweedimensionale gelaagde systemen te verkennen, ' zei hij. 'Het hele fasediagram van boor, koolstof en stikstof is fascinerend, onontgonnen en biedt een geweldige speeltuin voor materiaalwetenschappers.

"Dit is pas het eerste voorbeeld dat aantoont dat deze structuren inderdaad in 2D zoals grafeen kunnen worden gekweekt, "Zei Ajayan. "Ik denk dat het hele nieuwe veld opwindend zal zijn voor basisfysica en elektro-optische toepassingen."

Grafeen is de afgelopen jaren het onderwerp geweest van intensief onderzoek vanwege zijn hoge geleidbaarheid en de mogelijkheid om het te manipuleren op schalen die ver onder de theoretische limieten voor siliciumcircuits liggen. Een laag grafeen is een hexagonaal rooster van koolstofatomen. massaal, het heet grafiet, het spul van potlood lood. Grafeen werd voor het eerst geïsoleerd in 2004 door Britse wetenschappers die plakband gebruikten om lagen met één atoom uit grafiet te trekken.

"Grafeen is momenteel een zeer heet materiaal, " zei Lied, die met Ci had samengewerkt om doping van grafeen met verschillende materialen te onderzoeken om de halfgeleidende eigenschappen ervan te bepalen. Wetende dat zowel boor als stikstof al waren gebruikt bij het doteren van bulkgrafiet, ze besloten om het via CVD op een koperen basis te koken.

structureel, h-BN is hetzelfde als grafeen, een zeshoekig rooster van koolstofatomen dat eruitziet als kippengaas. Ci en Song ontdekten dat via CVD, grafeen en h-BN samengevoegd tot een enkele atoomplaat, met pools van h-BN die de koolstofmatrix opbreken.

De kritische factor voor elektronische materialen is de band gap, die gecontroleerd moeten worden afgesteld voor toepassingen. Grafeen is een materiaal met een nul-gap, maar er zijn manieren voorgesteld om deze kloof aan te passen door het in nanoschaalstrips te vormen en het met andere elementen te doteren.

Ci en Song pakten het anders aan via CVD, het regelen van de verhouding van koolstof tot h-BN over een grote, bruikbaar bereik.

Het blijft een uitdaging om enkele lagen van het hybride materiaal te produceren, aangezien de meeste in het laboratorium gekweekte films twee of drie lagen bevatten. De onderzoekers hebben ook nog geen controle over de plaatsing van h-BN-pools in een enkel blad of de rotatiehoeken tussen lagen - maar ze werken eraan.

In feite, het hebben van meerdere lagen van de hybride onder verschillende hoeken creëert nog meer mogelijkheden, ze zeiden. "Voor puur grafeen, deze rotatie zal de elektronische eigenschappen beïnvloeden, " zei Ci, die in 2007 met het laboratorium van Ajayan van het Rensselaer Polytechnic Institute naar Houston verhuisde.

De onderzoekers overwegen om deze materialen op industriële schaal te produceren. Grafeenplaten van enkele centimeters breed zijn al gesynthetiseerd in andere laboratoria, zei Ci. En omdat grafeen lithografisch van patronen kan worden voorzien en in vormen kan worden gesneden, het nieuwe materiaal heeft een groot potentieel om te worden verwerkt tot bruikbare apparaten met regelbare elektrische eigenschappen.