(Phys.org) —Grafeen heeft wetenschappers verblind, sinds de ontdekking meer dan een decennium geleden, met zijn ongeëvenaarde elektronische eigenschappen, zijn kracht en zijn lichte gewicht. Maar één lang gezocht doel is ongrijpbaar gebleken:hoe je een eigenschap die een band gap wordt genoemd, in grafeen kunt construeren, die nodig zou zijn om het materiaal te gebruiken om transistors en andere elektronische apparaten te maken.

Nutsvoorzieningen, nieuwe bevindingen van onderzoekers van MIT zijn een belangrijke stap in de richting van het maken van grafeen met deze felbegeerde eigenschap. Het werk zou ook kunnen leiden tot herzieningen van enkele theoretische voorspellingen in de grafeenfysica.

De nieuwe techniek omvat het plaatsen van een vel grafeen - een op koolstof gebaseerd materiaal waarvan de structuur slechts één atoom dik is - bovenop hexagonaal boornitride, een ander één-atoom dik materiaal met vergelijkbare eigenschappen. Het resulterende materiaal deelt het verbazingwekkende vermogen van grafeen om elektronen te geleiden, terwijl de bandafstand wordt toegevoegd die nodig is om transistors en andere halfgeleiderapparaten te vormen.

Het werk wordt beschreven in een paper in het tijdschrift Wetenschap co-auteur van Pablo Jarillo-Herrero, de Mitsui Career Development Assistant Professor of Physics aan het MIT, Hoogleraar natuurkunde Ray Ashoori, en 10 anderen.

"Door twee materialen te combineren, " zegt Jarillo-Herrero, "we hebben een hybride materiaal gemaakt dat andere eigenschappen heeft dan een van de twee."

Grafeen is een extreem goede geleider van elektronen, terwijl boornitride een goede isolator is, het blokkeren van de doorgang van elektronen. "We hebben een hoogwaardige halfgeleider gemaakt door ze samen te stellen, " legt Jarillo-Herrero uit. Halfgeleiders, die kan schakelen tussen geleidende en isolerende toestanden, vormen de basis voor alle moderne elektronica.

Om het hybride materiaal te laten werken, de onderzoekers moesten afstemmen, met bijna perfectie, de atoomroosters van de twee materialen, die beide uit een reeks zeshoeken bestaan. De grootte van de zeshoeken (bekend als de roosterconstante) in de twee materialen is bijna hetzelfde, maar niet helemaal:die in boornitride zijn 1,8 procent groter. Dus hoewel het mogelijk is om de zeshoeken bijna perfect op één plek uit te lijnen, over een groter gebied gaat het patroon in en uit het register.

Op dit punt, de onderzoekers zeggen dat ze op het toeval moeten vertrouwen om de hoekuitlijning voor de gewenste elektronische eigenschappen in de resulterende stapel te krijgen. Echter, de uitlijning blijkt ongeveer een op de 15 keer correct te zijn, ze zeggen.

"De eigenschappen van het boornitride vloeien over in het grafeen, " zegt Ashoori. Maar wat het meest "spectaculair is, " hij voegt toe, is dat de eigenschappen van de resulterende halfgeleider kunnen worden "afgestemd" door het ene vel lichtjes te draaien ten opzichte van het andere, waardoor een spectrum van materialen met gevarieerde elektronische kenmerken mogelijk is.

Anderen hebben van grafeen een halfgeleider gemaakt door de platen tot smalle linten te etsen, Ashoori zegt, maar een dergelijke benadering verslechtert de elektrische eigenschappen van grafeen aanzienlijk. Daarentegen, de nieuwe methode lijkt een dergelijke degradatie niet te veroorzaken.

De bandkloof die tot nu toe in het materiaal is gecreëerd, is kleiner dan die nodig is voor praktische elektronische apparaten; het vinden van manieren om het te vergroten zal meer werk vergen, zeggen de onderzoekers.

"Als... een grote band gap zou kunnen worden ontworpen, het zou toepassingen kunnen hebben in alle digitale elektronica, " zegt Jarillo-Herrero. Maar zelfs op het huidige niveau, hij voegt toe, deze benadering kan worden toegepast op sommige opto-elektronische toepassingen, zoals fotodetectoren.

De resultaten "verrasden ons aangenaam, "Ahoori zegt, en zal enige uitleg van theoretici vereisen. Vanwege het verschil in roosterconstanten van de twee materialen, de onderzoekers hadden voorspeld dat de eigenschappen van de hybride van plaats tot plaats zouden verschillen. In plaats daarvan, ze vonden een constante, en onverwacht groot, bandgap over het hele oppervlak.

In aanvulling, Jarillo-Herrero zegt, de omvang van de verandering in elektrische eigenschappen geproduceerd door het samenvoegen van de twee materialen "is veel groter dan de theorie voorspelt."

Het MIT-team nam ook een interessant nieuw fysiek fenomeen waar. Bij blootstelling aan een magnetisch veld, het materiaal vertoont fractale eigenschappen - bekend als een Hofstadter vlinderenergiespectrum - die decennia geleden door theoretici werden beschreven, maar dacht onmogelijk in de echte wereld. Er is intensief onderzoek op dit gebied; twee andere onderzoeksgroepen rapporteren deze week ook over deze Hofstadter-vlindereffecten in het tijdschrift Natuur . (zie:grafeen-vlinders.html" target="_blank"> phys.org/news/2013-05-61387688 … 95e-butterflies.html en phys.org/news287824835.html )